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Die Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrichtung zur Beladung eines Stromkollektors für eine Brennstoffzelle mit pelletförmigem Katalysatormaterial. Die Erfindung betrifft außerdem einen derart mit Katalysatorpellets beladenen Stromkollektor und einen mit derartigen Stromkollektoren ausgerüsteten Brennstoffzellenstapel.
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Zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Brennstoffzellen wird üblicherweise eine größere Anzahl von Brennstoffzellen in Form eines Stapels angeordnet, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Anode, eine Kathode und einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten aufweisen. Die einzelnen Brennstoffzellen des Stapels sind jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt und elektrisch kontaktiert. An den Anoden und den Kathoden sind jeweils Stormkollektoren vorgesehen, die dazu dienen, die Anoden bzw. Kathoden einerseits elektrisch zu kontaktieren und andererseits Reaktionsgase an diesen vorbeizuführen. Im Randbereich von Anode, Kathode und Elektrolytmatrix sind jeweils Dichtungselemente vorgesehen, welche eine seitliche Abdichtung der Brennstoffzellen und damit des Brennstoffzellenstapels gegen ein Austreten von Anoden- und Kathodengas bilden.
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Bei einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle besteht das Elektrolytmaterial typischerweise aus binären oder ternären Alkalikarbonatschmelzen (beispielsweise Mischschmelzen aus Lithium- und Kaliumkarbonat), die in einer porösen Matrix fixiert sind. Im Betrieb erreichen Schmelzkarbonatbrennstoffzellen typischerweise Arbeitstemperaturen von etwa 650°C. Dabei findet auf der Anodenseite eine Reaktion von Wasserstoff mit Karbonationen zu Wasser und Kohlendioxid unter Elektronenfreisetzung statt. Kathodenseitig reagiert Sauerstoff mit Kohlendioxid unter Elektronenaufnahme zu Karbonationen. Dabei wird Wärme frei. Die als Elektrolyt verwendete Alkalikarbonatschmelze liefert einerseits die für die Anodenhalbreaktion benötigten Karbonationen und nimmt andererseits die bei der Kathodenhalbreaktion entstehenden Karbonationen auf. In der Praxis wird der Anodenseite der Brennstoffzelle meist ein kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger, wie beispielsweise Methan, das beispielsweise aus Erdgas oder Biogas stammen kann, sowie Wasser zugeführt, aus welchem durch sogenannte interne Reformierung der für die Anodenhalbreaktion benötigte Wasserstoff gewonnen wird. Das Anodenabgas wird mit zusätzlich zugeführter Luft gemischt und anschließend zur Beseitigung etwaiger Restbestandteile des Brenngases katalytisch oxidiert. Das entstehende Gasgemisch enthält nun Kohlendioxid und Sauerstoff, also genau die für die Kathodenhalbreaktion benötigten Gase, so dass Anodenabgas nach Frischluftzufuhr und katalytischer Oxidation unmittelbar in die Kathodenhalbzelle eingeleitet werden kann.
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Die am Kathodenausgang austretende heiße Abluft ist schadstofffrei und kann thermisch weiterverwertet werden. Der elektrische Wirkungsgrad der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle liegt bereits bei 45 bis 50% und unter Nutzung der bei dem Gesamtprozess feigesetzten Wärme lässt sich ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 90% erreichen.
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Die interne Reformierung zur Gewinnung des für die Anodenhalbreaktion benötigten Wasserstoffs aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger kann in dem Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen auf zwei Arten durchgeführt werden. Bei der sogenannten indirekten internen Reformierung (IIR) werden mehrere separate Kammern, in denen sich ein Reformierkatalysatormaterial befindet, innerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Der zu reformierende kohlenwasserstoffhaltige Energieträger wird zunächst durch diese Kammern geleitet. Der wasserstoffgashaltige reformierte Energieträger wird anschließend in die Anodenhalbzellen des Brennstoffzellenstapels geleitet. Bei der sogenannten direkten internen Reformierung (DIR) befindet sich der reformierte Katalysator innerhalb der Anodenkammern der Brennstoffzelle, so dass das bei der Reformierung freigesetzte Wasserstoffgas unmittelbar an der Anode entsteht.
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Die Anodenhalbzelle wird einerseits von der Anode und andererseits von einem elektrisch leitfähigen Bipolarblech begrenzt, welches die Anodenkammer von der Kathodenkammer der im Brennstoffzellenstapel angrenzenden Zelle trennt. In der Anodenkammer befindet sich außerdem ein Anodenstromkollektor, welcher einerseits eine elektrische Verbindung zwischen der Anode und dem Bipolarblech und andererseits einen Strömungsweg für das durch die Anodenhalbzelle strömende Brenngas gewährleisten muss. Bei einer Brennstoffzelle mit direkter interner Reformierung muss der Stromsammler außerdem das Reformierkatalysatormaterial aufnehmen und für eine effektive Kontaktierung des Brenngases mit dem reformierten Katalysatormaterial sorgen. Für die direkte interne Reformierung wurden dazu im Stand der Technik unterschiedliche Lösungsansätze entwickelt. So beschreibt die deutsche Patentanmeldung
DE 103 58 788 A1 der Anmelderin einen porösen Anodenstromkollektor, der mit einer porösen Schicht eines Katalysatormaterials beschichtet ist. Häufig besteht der Anodenstromkollektor aus einem gerippten oder gewellten Blech, so dass eine Struktur entsteht, die einerseits die Anode bzw. das Bipolarblech elektrisch kontaktiert und andererseits Strömungspfade für das durch die Anodenhalbzelle strömende Brenngas definiert. In den so definierten Vertiefungen des Anodenstromkollektorbleches ist das Katalysatormaterial angeordnet. Beispielsweise können die Vertiefungen des Anodenstromkollektors mit Katalysatormaterial beschichtet sein. In dem amerikanischen Patent
US 5,468,573 wird ein gewellter Anodenstromkollektor mit sich in Längsrichtung erstreckenden Vertiefungen beschrieben, in denen zahlreiche vorgefertigte, zylindrische Katalysatorpellets angeordnet sind. Das Einbringen zahlreicher zylindrischer Katalysatorpellets in großflächige Stromkollektoren ist jedoch sehr aufwendig. Zur Vereinfachung der Beladung des Stromkollektors mit Katalysatorpellets wird in der internationalen Patentanmeldung
WO 2008/141071 A1 die Verwendung einer weitgehend automatisierten Bestückungsvorrichtung vorgeschlagen. Eine solche Anlage ist aufgrund der erforderlichen Präzision, mit welcher die Katalysatorpellets in die Vertiefungen eingebracht werden müssen, sehr kostenintensiv und störungsanfällig. Demgegenüber schlägt das Patent
US 6,942,943 vor, die geradlinigen Vertiefungen eines Stromkollektors anstelle von zahlreichen, hintereinander angeordneten, kurzen zylindrischen Pellets, einen kontinuierlichen Strang des Katalysatormaterials in jede längliche Vertiefung des Stromkollektorbleches einzubringen.
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Die in
US 6,942,943 beschriebene Lösung ist jedoch mit Nachteilen verbunden. So bietet ein durchgängiger Strang des Katalysatormaterials weniger Kontaktfläche mit dem Brenngas als zahlreiche hintereinander angeordnete zylindrische Pellets. Insbesondere fehlen die Zwischenräume zwischen den aufeinanderfolgenden Pellets, an denen beim Durchströmen des Brenngases Verwirbelungen entstehen, welche dafür sorgen, dass das durch die Anodenhalbzelle strömende Brenngas effektiver mit dem Katalysatormaterial in Kontakt kommt. Außerdem schreibt
US 6,942,943 die Verwendung einer teigartigen, sehr hochviskösen Katalysatormasse vor, die über einen Hochdruckstempel und eine Düse als definierter zylindrischer Strang in die Vertiefungen des Stromkollektors gepresst wird. Die Handhabung dieses Katalysatorteigs ist daher aufwendig und behindert eine schnelle Befüllung des Stromkollektors mit Katalysatormaterial.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Beladung eines Stromkollektors für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, der möglichst einfach und automatisiert mit Katalysatormaterial derart beladen werden kann, dass ein möglichst effektiver Kontakt zwischen Katalysatormaterial und dem den Stromkollektor umströmenden Brenngas gewährleistet ist. Ferner sollen eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, ein entsprechender Stromkollektor, sowie ein mit derartigen Stromkollektoren ausgerüsteter Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden.
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Gelöst wird dieses technische Problem durch das Verfahren gemäß vorliegendem Patentanspruch 1, die Vorrichtung zur Beladung eines Stromkollektors gemäß vorliegendem Patentanspruch 11, den Stromkollektor gemäß Anspruch 14 und den Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zur Beladung eines Stromkollektors einer Brennstoffzelle mit Katalysatormaterial, wobei man einen im Wesentlichen flächigen Stromkollektor bereitstellt, ein Katalysatormaterial durch wenigstens eine Düse extrudiert und in Form von zahlreichen einzelnen Katalysatorpellets auf den Stromkollektor aufbringt. Wie oben beschrieben, ist die Verwendung von Katalysatormaterial in Pelletform beispielsweise aus
US 4,788,100 bekannt. Während üblicherweise derartiges Katalysatormaterial bereits in Pelletform vom Hersteller bezogen und in fester Form auf den Stromkollektor aufgebracht wird, schlägt die vorliegende Erfindung vor, Katalysatormaterial in extrudierbarer Form bereitzustellen und durch Extrusion in Form von einzelnen Katalysatorpellets auf den Stromkollektor aufzubringen. Im Gegensatz zu dem aus
US 6,942,943 bekannten Verfahren liegt das extrudierte Katalysatormaterial nicht als lange Stränge, sondern in Form von kurzen Pellets auf dem Stromkollektor vor. Damit wird nicht nur die wirksame Oberfläche des Katalysatormaterials vergrößert, sondern die Zwischenräume zwischen den einzelnen Pellets begünstigen außerdem Verwirbelungen des Brenngasstroms, so dass eine effektivere Kontaktierung des Katalysatormaterials durch das Brenngas gewährleistet ist. Außerdem kann bei Verwendung kurzer Pellets die Pelletdichte auf der Fläche des Stromkollektors variiert werden, um beispielsweise die Konzentration des reformierten Brenngases lokal zu beeinflussen, um so die Wärmetönung in der Fläche des Stromkollektors zu steuern. Außerdem wird die Gefahr einer Vergiftung des Katalysatormaterials verringert. Wenn beispielsweise lokal Elektrolyt von der Anode in flüssiger Form auf die mit Katalysatormaterial beladene Seite des Stromkollektors übertritt, wird der flüssige Elektrolyt vom Katalysator aufgesaugt. Wenn Katalysatormaterial, wie in
US 6,942,943 beschrieben, in Form langer Stränge vorliegt, wird stets ein gesamter Strang vergiftet. Beim erfindungsgemäßen Stromkollektor führt ein solcher Störfall nur zu einer Vergiftung von wenigen Pellets in der Umgebung der Störstelle.
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Das extrudierbare Katalysatormaterial ist kann ein pumpbares Katalysatormaterial sein, das vorzugsweise aus einer wässrigen Suspension, die 38 bis 50 Gew.-% eines Katalysatorpulvers, 10 bis 30 Gew.-% eines mehrwertigen Alkohols, vorzugsweise Glycerin, und 0,5 bis 5 Gew.-% Fasermaterialien umfasst. Das Katalysatorpulver ist vorzugsweise ein an sich bekanntes bei einer internen Reformierung verwendetes Katalysatorpulver auf Nickelbasis. Bei dem mehrwertigen Alkohol handelt es sich vorzugsweise um Glycerin. Das Fasermaterial kann ein Gemisch von längeren und kürzeren Fasern sein. Das Katalysatorpulver besteht aus Partikeln, bei denen 10% einen Durchmesser von weniger als 1,0 μm, 50% einen Durchmesser von weniger al 4,0 μm und 90% einen Durchmesser von weniger als 15,5 μm aufweisen. Ein geeigneter Reformierkatalysator zur Herstellung des pumpbaren Katalysatormaterials wird beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung
WO 2008/104536 beschrieben, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Vorzugsweise beträgt die Viskosität des pumpbaren Katalysatormaterials weniger als 6000 Pa·s.
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Ein derartiges Katalysatormaterial kann beispielsweise mit einer Exzenterschneckenpumpe durch eine Düse gefördert werden. Aufgrund der niedrigen Viskosität und einer damit verbundenen Pumpfähigkeit des Materials können wesentlich höhere Auftragsgeschwindigkeiten erzielt werden. Da das Katalysatormaterial bei Verlassen der Düse eine geringe Viskosität aufweist, können beispielsweise bei Kanälen mit einer Breite bzw. Tiefe von 2–5 mm Vorschubgeschwindigkeiten von 200–400 mm pro Sekunde verwirklicht werden. Die Beschichtungszeiten können somit stark verringert werden. Außerdem erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Serienfertigung der beladenen Stromkollektoren. Weiterhin kann aufgrund der Exzenterschneckenpumpe Katalysatormaterial im Wesentlichen ohne Restverluste zur Düse gefördert werden. Auch eine Förderung aus einem Vorratsfass oder einem Ansatzbehälter ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es daher, den Stromkollektor mit kurzen Pelletsegmenten zu beladen, ohne die Nachteile des Standes der Technik bei Verwendung von vorgefertigten Pellets in Kauf nehmen zu müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht außerdem ein weitgehend automatisiertes und einfaches Einbringen der Katalysatorelemente.
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Glyzerin und Fasermaterialien in den auf den Stromkollektor aufgebrachten Katalysarorpellets werden beim Ausbrennen des Katalysatormaterials, beispielsweise bei einer Temperatur von 400°C unter Luft, beseitigt. Im ausgebrannten Zustand weist das Katalysatormaterial eine Porosität von vorzugsweise 65 bis 75% auf. Das Katalysatormaterial weist dann Poren auf, von denen vorzugsweise 40 bis 50 Vol.-% einen Durchmesser von weniger als 0,01 μm aufweisen. Weniger als 1 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 0,5 Vol.-% der Poren weisen einen Durchmesser von mehr als 5 μm auf. Der Rest der Poren hat einen Durchmesser von 0,01 bis 5 μm. Überraschend wurde gefunden, dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Katalysatorpellets eine deutlich höhere Festigkeit, typischerweise eine doppelt so hohe Festigkeit, als die nach
US 6,942,943 gefertigten Katalysatorstränge aufweisen. Im reduzierten Zustand des Katalysators kann sogar eine dreifach höhere Festigkeit erzielt werden, obwohl verglichen mit
US 6,942,943 ein deutlich niederviskoserer Katalysatorschlicker mit geringerem Katalysatorpulveranteil zum Einsatz kommt.
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Die Extrusion des Katalysatormaterials in Pelletform kann auf vielfältige Weise erzielt werden. Bevorzugt fördert man das Katalysatormaterial als kontinuierliches Extrudat zu der Düse und unterteilt das Extrudat in der Düse oder unmittelbar nach der Düse in die zahlreichen Pellets.
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Gemäß einer Variante wird dazu das Extrudat intermittierend aus der Düse ausgestossen, während gleichzeitig Düse und Stromkollektor relativ zueinander bewegt werden.
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Gemäß einer anderen Variante stößt man das Extrudat kontinuierlich aus der Düse aus und formt es anschließend zu den einzelnen Pellets, die dann in feuchter Form auf den Stromkollektor aufgebracht werden. Auch in diesem Fall bewegt man die Düse zusammen mit der Pelletformeinrichtung und den Stromkollektor relativ zueinander.
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Die auf den Stromkollektor aufgebrachten Katalysatorpellets weisen vorzugsweise eine Längserstreckung parallel zu einer Mittelebene des Stromkollektors auf, die höchstens etwa 10 mm beträgt. Wenn man die Katalysatorpellets in Form von im Wesentlichen kugelförmigen oder halbkugelförmigen Pellets auf den Stromkollektor aufbringt, beträgt der Durchmesser dieser Pellets vorzugsweise höchstens 10 mm. Bringt man die Kataysatorpellets in Form von im Wesentlichen zylinderförmigen oder halbzylinderförmigen Pellets auf den Stromkollektor auf, so beträgt die Länge der Pellets vorzugsweise höchstens 10 mm.
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Je nach Material des Stromkollektorblechs und Zusammensetzung des eingegossenen Katalysatormaterials kann man bereits eine gute Haftung des Katalysatormaterials in den Vertiefungen erreichen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird man aber vor dem Einbringen des Katalysatormaterials die Vertiefung zumindest teilweise mit einem Haftmittel beschichten, um den Halt des Katalysatormaterials in der Vertiefung weiter zu verbessern. Unterschiedlichste kommerziell erhältliche Haftmittel sind dazu geeignet. Exemplarisch seien lediglich Polymerdispersionen auf Basis von Vinylacetat und Ethylen genannt, wie sie von der Fa. Wacker Chemie AG, München, Deutschland, unter der Handelsmarke VINNAPAS® vertrieben werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Katalysatorpellets in feuchtem Zustand auf den Stromkollektor aufgebracht. Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, werden die auf den Stromkollektor aufgebrachten Katalysatorpellets anschließend getrocknet. Vorzugsweise trocknet man die Katalysatorpellets bei einer Temperatur von 50 bis 160°C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 80 bis 120°C während eines Zeitraums von 1 bis 10 Minuten, vorzugsweise von 2 bis 5 Minuten. Die Stromkollektoren mit dem getrockneten Katalysatormaterial können anschließend durch Ausbrennen das Katalysatormaterials so konditioniert werden, dass das Katalysatormaterial bereits mit in der gewünschten Porosität vorliegt. Üblicherweise werden die Stromkollektoren mit dem getrockneten Katalysatormaterial aber zunächst zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengebaut. Das Ausbrennen des Katalysatormaterials erfolgt dann erst beim Anfahren der Brennstoffzelle.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Beladen eines Stromkollektors einer Brennstoffzelle mit Katalysatormaterial mit einem Applikator zum Aufbringen von Katalysatormaterial auf den Stromkollektor in Form von einzelnen Pellets, wobei der Applikator wenigstens eine Düse zum Extrudieren des Katalysatormaterials und ein Mittel zur Unterteilung des Katalysatormaterials in einzelne Pellets aufweist, und Fördermittel, die geeignet sind, ein Katalysatormaterial zu der Düse des Applikators zu transportieren. Als Fördermittel ist jede zur Förderung einer wässsrigen Suspension eines Katalysatorpulvers mit einer Viskosität von bis zu 6.000 Pas geeignete Pumpe oder Förderschnecke verwendbar. Bevorzugt ist das Fördermittel eine Exzenterschneckenpumpe.
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Die Mittel zur Unterteilung des auf den Stromkollektor abzugebenden Katalysatormaterials in einzelne Pellets sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ventilmitteln zur Steuerung der Düse, Trennmitteln zur mechanischen Trennung des zu extrudierenden oder extrudierten Katalysatormaterials in einzelne Pellets, Mitteln zum Formen des extrudierten Katalysatormaterials in einzelne Pellets, sowie Kombinationen derartiger Mittel.
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Vorzugsweise sind außerdem Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Düse des Applikators und dem zu beladenden Stromkollektor vorgesehen. Aufgrund der einfacheren Handhabung wird vorzugsweise der Applikator relativ zu einem ruhenden Stromkollektor bewegt.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Stromkollektor für eine Brennstoffzelle, der eine im Wesentlichen ebene Allgemeinform aufweist und auf wenigstens einer Oberfläche mit zahlreichen einzelnen Katalysatorpellets beladen ist, die aus einer wässrigen Suspension eines Katalysatorpulvers bestehen. In dieser Form liegt der Stromkollektor unmittelbar nach der Herstellung vor. Vor dem Einbau des Stromkollektors in den Brennstoffzellenstapel werden die Katalysatorpellets üblicherweise getrocknet. Die vorliegende Erfindung betrifft daher außerdem einen Brennstoffzellenstapel, der die erfindungsgemäßen Stromkollektoren umfasst, wobei die Katalysatorpellets getrocknet sind.
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Die Stromkollektoren können jegliche geeignete Form aufweisen. Wenn in der vorliegenden Anmeldung von einem im Wesentlichen flächigen Stromkollektor die Rede ist, so sind damit auch flächige Stromkollektoren gemeint, die eine strukturierte Oberfläche, beispielsweise Vertiefungen und/oder Rippen aufweisen, in denen oder zwischen denen die Katalysatorpellets angeordnet sind. Bevorzugt werden derartige Vertiefungen und/oder Rippen in Form von Streckmetallblechen erzeugt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Darstellung der automatischen Befüllung eines Stromkollektors mit Katalysatorpellets;
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2 eine erste Variante der Mittel zur Unterteilung des Katalysatormaterials in einzelnen Pellets der Vorrichtung der 1;
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3 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Stromkollektor im Teilausriss;
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4 eine zweite Variante der Mittel zur Unterteilung des Katalysatormaterials in einzelnen Pellets;
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5 eine dritte Variante der Mittel zur Unterteilung des Katalysatormaterials in einzelnen Pellets; und
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6 eine vierte Variante der Mittel zur Unterteilung des Katalysatormaterials in einzelnen Pellets.
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In 1 ist schematisch eine Vorrichtung zum automatischen Befüllen eines Stromkollektors 10 mit Katalysatormaterial nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.
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Der Stromkollektor 10 besteht im dargestellten Beispiel aus einem ca. 0,2 mm dicken, im Wesentlichen ebenen, nickelbeschichteten Edelstahlblech 11 mit einer Oberseite 12 und einer Unterseite 13, das durch Schnittfaltung so strukturiert ist, dass auf der Oberseite Vertiefungen 14 und auf der Unterseite Vertiefungen 15 gebildet werden. Die Bezeichnungen ”Oberseite” bzw. ”Unterseite” beziehen sich lediglich auf die exemplarische Darstellung der 1 und sollen keine Einschränkung der Orientierung Stromkollektors in einem Brennstoffzellenstapel darstellen. So kann der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel beispielsweise in einem horizontalen Stapel oder auch in einem vertikalen Stapel angeordnet werden. Die Vertiefungen 14 befinden sich im eingebauten Zustand auf der von der Anode eines Brennstoffzellenelements abgewandten Seite des Bleches 11. Der Außenseite des Bodenabschnitts 16 der Vertiefung 14 bildet dadurch eine Auflagefläche für die Anode, während die Außenseite des Bodenabschnitts 17 der Vertiefung 15, in der Darstellung der 1 also die Oberseite der durch die Vertiefung 15 gebildeten rippenartigen Struktur, die Kontaktfläche zu dem Bipolarblech des Brennstoffzellenelementes bildet.
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Wie man in 1 erkennt, besteht jede Vertiefung 14 aus einzelnen in Längsrichtung aufeinanderfolgenden und in Querrichtung zueinander versetzten Abschnitten 18–21, wobei der Versatz von aufeinanderfolgenden Abschnitten gleich groß, aber entgegengesetzt ist, so dass ein im Wesentlichen in Längsrichtung verlaufender Kanal 22 gebildet wird.
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Im dargestellten Beispiel (vgl. insbesondere die Draufsicht der 3) weist die Vertiefung 14 eine Breite von ca. 4 mm und die Vertiefung 15 eine Breite von ca. 2 mm auf. Die Vertiefungen 14 und 15 wechseln sich in Querrichtung ab, so dass zahlreiche parallel zueinander verlaufende Kanäle 22 in der Ebene des Blechs 11 gebildet werden. Aufeinanderfolgende Abschnitte 18 bis 21 eines Kanals 22 sind quer zur Längsrichtung des Kanals 22 jeweils um einen Versatz von ca. 1 mm zueinander versetzt, was 50% der Breite der Vertiefung 15 entspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Tiefe des Kanals 22 etwa 2 mm und die Länge der einzelnen aufeinanderfolgenden Abschnitte beträgt ca. 3 mm. Aufgrund der zueinander versetzten Abschnitte 18 bis 21 entstehen Öffnungen 23 in den Vertiefungen, die einen Gasaustausch zwischen Oberseite 12 und Unterseite 13 des Stromkollektorblechs 11 ermöglichen. Falls eine weitere Verbesserung des Gasaustausches erforderlich ist, können, wie im dargestellten Beispiel, zusätzliche Öffnungen in Form von Löchern 24 im Boden der Vertiefungen 14 ausgespart werden, um insbesondere den Zugang des reformierten Wasserstoffgases zur Anode zu verbessern. Da die Breite der Vertiefungen 14 größer als die Breite der Vertiefungen 15 ist, wird die Anode wirksam abgestützt, so dass ein Kriechen bzw. Einsinkender Anode in den Stromkollektor vermieden werden kann. Die Löcher 24, welche vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 10 und 80% der Breite der Vertiefung 14, besonders bevorzugt einen Durchmesser von 30 bis 60% der Breite der Vertiefung 14 aufweisen, beeinträchtigen die Abstützung der Anode nicht.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die durch die Vertiefungen 14 gebildete Kanäle 22 mit Katalysatormaterial 25 gefüllt. Wie in 1 schematisch dargestellt, taucht zum Einbringen des Katalysatormaterials 25 eine Düse 26, die eine Düsenöffnung 27 aufweist, in eine der durch die Vertiefungen 14 gebildeten Kanäle 22 ein.
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Die Düse
26 ist an einem beweglichen Applikatorkopf
28 einer insgesamt mit der Bezugsziffer
29 bezeichneten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beladen des Stromkollektors mit Katalysatorpellets montiert. Die Bewegung des Applikatorkopfes
28 kann auf unterschiedlichste Weise verwirklicht werden. Lediglich exemplarisch ist in der schematischen Darstellung der
5 ein voll beweglicher Roboterarm
30 mit sechs Freiheitsgraden dargestellt. Eine derartige vollständige Beweglichkeit des Applikatorkopfes
28 ist im Regelfall nicht erforderlich. Vielmehr reicht es meist aus, den Applikatorkopf
28 mit einem XYZ-Getriebe nacheinander entlang der einzelnen Kanäle
22 des Stromkollektors
10 zu verschieben. Der Applikatorkopf
28 ist über eine Förderleitung
31 mit einem Vorratsgefäß
32 verbunden. Eine Förderpumpe
33 transportiert das Katalysatormaterial aus dem Vorratsgefäß
32 zum Applikatorkopf
42. Alternativ kann selbstverständlich auch der Stromkollektor
10 relativ zu einem stationären Applikatorkopf bewegt werden. Im Gegensatz zu dem aus
US 6,942,943 bekannten Stand der Technik zeichnet sich die vorliegende Erfindung jedoch dadurch aus, dass bei der vorliegenden Erfindung ein pumpbares Katalysatormaterial verwendet wird, so dass auf eine aufwendige Bewegung der großflächigen Stromkollektoren beim Befüllen mit Katalysatormaterial verzichtet wird, sondern die Befüllung mit Katalysatormaterial über einen beweglichen Applikatorkopf realisiert werden kann, was technisch wesentlich weniger aufwendig ist.
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In 2 ist eine erste Variante der Mittel zur Unterteilung des kontinuierlich zum Applikatorkopf 28 geförderten Katalysatormaterials in einzelne Pellets dargestellt. Bei dieser Variante ist im Applikatorkopf 28 ein steuerbares Piezoventil 34 angeordnet, das eine intermittierende Ausgabe von Katalysatormaterial ermöglicht. In der Darstellung der 2 ist das Piezoventil als Piezoschieber ausgebildet, wie er beispielsweise von der Firma PICO Dosiertechnik GmbH & Co. KG angeboten wird. Das Ventil weist einen oberen Dichtsitz 35 auf, in welchem die Förderleitung 31 mit dem kontinuierlichen Katalysatormaterial 25 mündet. Von einem angrenzenden unteren Dichtsitz 36 aus führt eine Austrittsleitung 37 zur Dosierspitze 26. Der obere Dichtsitz 35 kann bezüglich des unteren Dichtsitzes 36 seitlich verschoben werden, um die Ausgabe von Katalysatormaterial 25 entweder zu blockieren (linkes Teilbild in 2) oder die Abgabe von Dosiermaterial freizugeben (rechtes Teilbild in 2). Je nach Taktung der Dosierventile und gewünschter Beladezeit des Katalysators können mehrere Applikatorköpfe oder ein Applikatorkopf mit mehreren Piezoventilen vorgesehen sein, um beispielsweise mehrere Kanäle 22 gleichzeitig zu beladen. Derartige Piezoventile eignen sich insbesondere zur Erzeugung von halbkugel- bzw. kugelförmigen Pellets 38, wenn während der Katalysatormaterialabgabe der Applikatorkopf bezüglich des Stromkollektors nicht bewegt wird. Längliche Pellets entstehen, wenn gleichzeitig mit der Materialabgabe der Applikatorkopf relativ zum Stromkollektor bewegt wird.
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In 3 ist eine Draufsicht auf den mit Katalysatorpellets 39–46 befüllten Stromkollektor 10 im Teilausriss dargestellt. Die einzelnen Katalysatorpellets können aufgrund der Zwischenräume 47, 48 zwischen den einzelnen Pellets bzw. zwischen den Pellets und den Rädern der Vertiefungen wirksam vom Brenngas umströmt werden und begünstigen somit eine effektivere Reformierung.
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In den 4–7 sind weitere Varianten der Mittel zur Unterteilung des Katalysatormaterials in einzelne Pellets dargestellt.
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Gemäß der Variante der 4 weist die Düsenspitze 26 Mittel auf, um das kontinuierlich in die Düsenspitze geförderte Katalysatormaterial in einzelne Pellets zu unterteilen. Bei dieser Variante ist vorgesehen, ein inertes Gas kurzzeitig dann in die Dosierspitze zu pressen, wenn der kontinuierliche Produktstrom des Katalysatormaterials unterbrochen werden soll. Dazu kann beispielsweise Luft verwendet werden, die aus zahlreichen kleinen Löchern, die im Ring 49 ausgespart sind, ausströmt und das Extrudat in der gewünschten Länge abschneidet. Ein Vorteil dieser Variante ist darin zu sehen, dass die Löcher nicht mit Katalysatormaterial verstopfen können, da die Löcher nicht mit dem Katalysatormaterial in Kontakt kommen. Alternativ kann Luft auch über Zuleitungen 50 direkt in die Dosierspitze eingeblasen werden, was den Vorteil aufweist, dass die eingeblasene Luft nicht nur die Unterteilung des Katalysatormaterials in einzelne Pellets bewirkt, sondern auch den Eintrag der Pellets aus der Düse in den Stromkollektor unterstützt. Wie in 4 dargestellt, können beide Möglichkeiten auch kombiniert werden. Beide Varianten haben außerdem den Vorteil, dass sehr schnell schaltende Luftventile auf dem Markt erhältlich sind, so dass die Vereinzelung des Katalysatormaterials in einzelne Pellets keinen limitierenden Faktor für die Verkürzung der Beladezeit darstellt.
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Gemäß der Variante der 5 wird über die Düse 26 ein längliches Extrudat 51 ausgetragen und auf eine drehbare Walze 52 gelegt. Die einzelnen kurzen Extrudatsegmente 53 werden durch eine gegenläufige, mit Messern 54 bestückte Walze 55 erzeugt. Durch Drehung der mit Messern bestückten Walze 55 wird das Extrudat weiter befördert und fällt auf den darunterliegenden (in 5 nicht dargestellten) Stromkollektor. Wie in der 5 dargestellt, kann an der ersten Walze 52 noch ein Abstreifmesser 56 vorgesehen sein, um die Ablösung der erzeugten Pellets 53 von der Walze zu begünstigen.
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Gemäß der Variante der 6 wird das aus der Düse 26 ausgetragene Katalysatormaterial 56 in Vertiefungen 57 gefördert, die in wenigstens einer von zwei gegenläufig rotierenden Walzen 58, 59 ausgespart sind. Im dargestellten Beispiel sind zur Erzeugung von kreiszylindrischen Pellets 60 halbzylindrische Vertiefungen in beiden gegenläufigen Walzen ausgespart. Es sind jedoch andere Vertiefungen denkbar, um andere Pelletformen zu erzeugen. Vorzugsweise sind die Walzen elektropoliert oder mit einer haftreduzierenden Beschichtung, wie beispielsweise einem Film aus Polytetrafluorethylen, beschichtet, um die Anhaftung des Katalysatormaterials zu verringern. Die Walzen können außerdem beheizt sein, um das Extrudat vorzutrocknen.
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Selbstverständlich können auch Möglichkeiten vorgesehen werden, um die Unterteilung des Extrudats in einzelne Pellets zu bewirken. Beispielweise kann in dem Applikator ein pneumatisch oder hydraulische betriebener Stempelantrieb vorgesehen sein, die den kontinuierlichen Strom des Katalysatormaterials in einzelne Pellets unterteilt. Gemäß einer anderen Variante kann die Unteilung in einzelne Pellets erst im Stromkollektor stattfinden. Dazu ist die Oberfläche des Stromkollektors beispielsweise durch geeignete, aufeinanderfolgende Vertiefungen so strukturiert, dass das in die Vertiefungen extrudiertes Katalysatormaterial am Übergang von einer Vertiefung zur nächsten von der Düse abgestreift und so in einzelne Pellets vereinzelt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10358788 A1 [0006]
- US 5468573 [0006]
- WO 2008/141071 A1 [0006]
- US 6942943 [0006, 0007, 0007, 0010, 0010, 0014, 0014, 0039]
- US 4788100 [0010]
- WO 2008/104536 [0011]
