DE10226123B4

DE10226123B4 - Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung, sowie dadurch hergestelltes Dichtungsmaterial

Info

Publication number: DE10226123B4
Application number: DE10226123A
Authority: DE
Inventors: Marc Dipl.-Chem. Bednarz; Marc Dr. Steinfort
Original assignee: MTU CFC Solutions GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: DE10226123A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung, bei dem ein poröses Grund- oder Trägermaterial (1) mit einem Füllmaterial (5) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
i) das poröse Grundmaterial (1) mit einer konzentrierten Lösung (2, 3) von Metallionen (3) getränkt wird,
ii) das mit der Lösung (2, 3) von Metallionen (3) getränkte poröse Grundmaterial (1) zum Ausfällen der Metallionen (3) in Form von Karbonat (5) einer Kohlendioxid (4) enthaltenden Umgebung ausgesetzt wird, und
iii) das so erhaltene Dichtungsmaterial (1, 5) getrocknet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung, bei dem ein poröses Grundmaterial mit einem Füllmaterial versehen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein durch das Verfahren hergestelltes Dichtungsmaterial.

Leistungsfähige Brennstoffzellenanordnungen bestehen aus einer Anzahl von jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmatrix enthaltenden und voneinander durch eine Bipolarplatte getrennten Brennstoffzellen, die in Form eines Stapels angeordnet sind. Zwischen einzelnen Komponenten des Brennstoffzellenstapels sind Dichtungen angeordnet, welche zur Begrenzung der Brenngas- und Kathodengasströme und der Reaktionsgasströme dienen. Beispielsweise dienen solche Dichtungen zum Anschließen von Gasführungshauben zum Zuführen und Abführen der Brenn- und Kathodengase. Die genannten Dichtungen müssen einerseits gegen die auftretenden hohen Temperaturen, typischerweise 650°C, hitzebeständig und andererseits in einem gewissen Maße flexibel und kompressibel sein, um die innerhalb des Brennstoffzellenstapels aufgrund von Temperaturänderungen und Temperaturgradienten auftretenden Spannungen und Dehnungen aufzunehmen.

Herkömmlich werden solche Dichtungsmaterialien hergestellt, indem ein poröses Trägermaterial, z.B. ein Keramikpapier oder ein Keramikfilz mit einer ein hitzebeständiges Füllmaterial enthaltenden Suspension getränkt und das Füllmaterial dann eingeschmolzen wird. Eine solche Suspension kann beispielsweise feingemahlenes Alkalikarbonatpulver enthalten. Eine Schwierigkeit bei dieser herkömmlichen Art der Dichtungsherstellung besteht darin, dass die das feingemahlene Karbonatpulver enthaltende Suspension die inneren Poren des porösen Trägermaterials nur schwer erreichen und damit im Inneren des Dichtungsmaterials nur ein unzureichender Füllgrad erreicht wird. Weiterhin führen die Einschmelzvorgänge zu einer Verhärtung des Keramikpapiers oder Keramikfilzes durch Kristallisation oder Verglasung und erschweren dadurch die Handhabbarkeit des Materials.

Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Dichtungsmaterials für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung anzugeben. Weiterhin soll ein entsprechendes verbessertes Dichtungsmaterial selbst geschaffen werden.

Die Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Schließlich wird ein Dichtungsmaterial angegeben, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren geschaffen wird.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung, bei dem ein poröses Grund- oder Trägermaterial mit einem Füllmaterial versehen wird, geschaffen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass

i) das poröse Grundmaterial mit einer konzentrierten Lösung von Metallionen getränkt wird,
ii) das mit der Lösung von Metallionen getränkte poröse Grundmaterial zum Ausfällen der Metallionen in Form von Karbonat einer Kohlendioxid enthaltenden Umgebung ausgesetzt wird, und
iii) das so erhaltene Dichtungsmaterial getrocknet wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass auch das Innere der Porenstruktur des porösen Grundmaterials von dem Füllmaterial erreicht und auch dort ein hoher Füllgrad erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil ist es, dass das Grund-oder Trägermaterial flexibel und kompressibel bleibt. Dies ist insbesondere ein Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Einschmelzverfahren, bei dem eine Kristallisation oder eine Verglasung beim Erstarren auftreten kann.

Vorzugsweise ist das poröse Grundmaterial ein Keramikpapier oder ein Keramikfilz.

Als Metallionen der konzentrierten Lösung werden vorzugsweise solche von Hydroxyden, insbesondere von Alkalihydroxyden verwendet.

Vorzugsweise werden als Metallionen solche von Lithium oder Kalium verwendet.

Vorteilhafterweise kann die Lösung zum Tränken des porösen Grundmaterials erhitzt werden.

Vorzugsweise kann das Kohlendioxid in einer kohlendioxidhaltigen Atmosphäre vorliegen.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Metallionen vorzugsweise als Alkalikarbonat, insbesondere als Lithiumkarbonat oder Kaliumkarbonat ausgefällt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Verfahrensschritte i) bis iii) mehrmals wiederholt.

Gemäß einer Weiterbildung hiervon kann der Verfahrensschritt i) mit verschiedenen Konzentrationen der Lösung wiederholt werden.

Weiterhin kann es vorgesehen werden, den Verfahrensschritt i) mit Lösungen von verschiedenen Metallionen zu wiederholen.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Tränken des porösen Grundmaterials mit der Lösung durch Sprühen erfolgen.

Alternativ kann das Tränken des porösen Grundmaterials mit der Lösung durch Tauchen erfolgen.

Schließlich wird durch die Erfindung ein Dichtungsmaterial für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung geschaffen, welches nach dem vorgenannten Verfahren hergestellt ist.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung erläutert werden.
1a) bis e) zeigt vergrößerte schematisierte Querschnitte durch ein Dichtungsmaterial für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung, während des Durchlaufens verschiedener Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist ein poröses Grund- oder Trägermaterial mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Dieses poröse Grundmaterial 1 besteht bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel in einem Keramikpapier oder einem Keramikfilz. Das Grundmaterial 1 ist in 1a) als solches dargestellt.
Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, das poröse Grundmaterial 1 mit einem Füllmaterial 5 zu versehen, so dass das in 1e) schematisiert dargestellte Dichtungsmaterial erhalten wird.
Zum Einbringen des Füllmaterials 5 in das poröse Grundmaterial 1 wird letzteres zunächst mit einer konzentrierten Lösung getränkt, die aus in einem Lösungsmittel 2 gelösten Metallionen 3 besteht. Diese Lösung 2, 3 enthält bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Metallionen von Hydroxyden, insbesondere von Alkalihydroxyden wie Lithiumhydroxyd oder Kaliumhydroxyd. Das Tränken des Grundmaterials 1 mit der Lösung 2, 3 erfolgt durch Sprühen oder Tauchen.
Als nächstes wird, wie in 1c) dargestellt ist, das mit der Lösung 2, 3 von Metallionen 3 getränkte poröse Grundmaterial 1 einer Kohlendioxid 4 enthaltenen Umgebung, nämlich einer kohlendioxidhaltigen Atmosphäre ausgesetzt, um ein Ausfällen der Metallionen 3 in Form von Karbonat 5 zu bewirken. Das Ausfällen erfolgt weil die Löslichkeit des Karbonats wesentlich geringer ist als die Löslichkeit des Hydroxyds in der Lösung.
Schließlich wird das so erhaltene Dichtungsmaterial bestehend aus dem Grundmaterial 1 und dem Karbonat 5 als Füllmaterial getrocknet, wie dies in 1d) gezeigt ist. Dabei vermindert sich der Gehalt des Lösungsmittels 2 in dem Grundmaterial 1, von dem in 1d) noch Spuren dargestellt sind, ebenso wie Reste der Metallionen 3 des ursprünglichen Hydroxyds.
Die genannten Verfahrensschritte können mehrmals wiederholt werden, wodurch sich eine Erhöhung des Füllgrades des Karbonats 5 in dem Grundmaterial 1 ergibt, wie es in 1e) gezeigt ist.
Die Wiederholung kann mit der gleichen oder mit verschiedenen Konzentrationen der Lösung 2, 3 und mit den gleichen oder mit verschiedenen Metallionen 3, die in der Lösung 2, 3 enthalten sind, erfolgen.
Das Ergebnis schließlich ist ein Dichtungsmaterial, bei welchem das poröse Trägermaterial 1 in einem hohen Maße, auch in seinem Inneren, mit dem Füllmaterial 5 gefüllt ist, welches bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel als Alkalikarbonat, insbesondere als Lithiumkarbonat oder Kaliumkarbonat vorliegt.
Das erhaltene Dichtungsmaterial 1, 5 ist in vorteilhaftem Maße flexibel und kompressibel, eine Kristallisation oder Verglasung des Füllmaterials 5 in seinem Inneren findet im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren nicht statt. Das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Dichtungsmaterial ist somit besonders vorteilhaft zur Abdichtung einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere einer Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung, bei welcher Temperaturbeständigkeit einerseits und bleibende Flexibilität und Kompressibilität andererseits verlangt werden.

1: Grundmaterial
2: Lösungsmittel
3: Metallionen

4: kohlendioxidhaltige Umgebung

5: Metallkarbonat

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung, bei dem ein poröses Grund- oder Trägermaterial (1) mit einem Füllmaterial (5) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass i) das poröse Grundmaterial (1) mit einer konzentrierten Lösung (2, 3) von Metallionen (3) getränkt wird, ii) das mit der Lösung (2, 3) von Metallionen (3) getränkte poröse Grundmaterial (1) zum Ausfällen der Metallionen (3) in Form von Karbonat (5) einer Kohlendioxid (4) enthaltenden Umgebung ausgesetzt wird, und iii) das so erhaltene Dichtungsmaterial (1, 5) getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Grundmaterial (1) ein Keramikpapier oder ein Keramikfilz ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallionen (3) der konzentrierten Lösung (2, 3) solche von Hydroxiden verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallionen (3) solche von Lithiumhydroxid oder Kaliumhydroxid verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung (2, 3) zum Tränken des porösen Grundmaterials (1) erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid (4) in einer kohlendioxidhaltigen Atmosphäre vorliegt.
Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallionen (3) als Lithiumkarbonat oder Kaliumkarbonat ausgefällt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte i) bis iii) mehrmals wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt i) mit verschiedenen Konzentrationen der Lösung (2, 3) wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt i) mit Lösungen (2, 3) von verschiedenen Metallionen (3) wiederholt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Tränken des porösen Grundmaterials (1) mit der Lösung (2, 3) durch Sprühen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Tränken des porösen Grundmaterials (1) mit der Lösung (2, 3) durch Tauchen erfolgt.
Dichtungsmaterial für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzellenanordnung, das nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt ist.