DE3235240A1 - Matrixmaterial, insbesondere fuer eine karbonatschmelzenbrennstoffzelle - Google Patents

Matrixmaterial, insbesondere fuer eine karbonatschmelzenbrennstoffzelle

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DE3235240A1 DE19823235240 DE3235240A DE3235240A1 DE 3235240 A1 DE3235240 A1 DE 3235240A1 DE 19823235240 DE19823235240 DE 19823235240 DE 3235240 A DE3235240 A DE 3235240A DE 3235240 A1 DE3235240 A1 DE 3235240A1
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Description

Matrixmaterial, insbesondere für eine Karbonatschmelzenbrennstoffzelle
Die Erfindung bezieht sich auf Karbonatschmelzenbrennstoffzellen und betrifft insbesondere Matrixkomponenten für solche Brennstoffzellen.
Karbonatschmelzenbrennstoffzellen sind beispielsweise aus den üS-PSen 4 009 321 und 4 079 171 bekannt. Der Elektrolyt ist in einer solchen Brennstoffzelle bei Raumtemperatur fest und bei Betriebstemperaturen, die im allgemeinen zwischen 500 0C und 750 0C liegen, schmelzflüssig. Einige bekannte Elektrolyten dieses Typs sind Alkalimetallkarbonatmischungen, wie ternäre Lithium-Kalium-Natriumkarbonatmischungen und binäre Lithium-Kalium-, Lithium-Natrium- oder Kalium-Natriumkarbonatmischungen. Der Elektrolyt ist in einer im wesentlichen
inerten Matrix oder Matrize angeordnet, die zwischen einer Anoden- und einer Katodenelektrode angeordnet ist. Außer baulichem Zusammenhalt muß die Matrix in Kombination mit dem Elektrolyten für eine Vollständige Trennung der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase sorgen, die auf ihren entgegengesetzten Seiten angeordnet sind. Die Elektrolyt- und Matrixkombination wird häufig auch als Elektrolytplatte oder -kachel bezeichnet. Die Matrix wird üblicherweise aus Submikronkeramikteilchen hergestellt, die mit der Brenn stoffzellenumgebung kompatibel sind. Beispielsweise ist Lithiumaluminat gegenüber ternären und binären Karbonatzusammensetzungen, wie sie oben erwähnt sind, im wesentlichen inert und kann als Matrixmaterial in Zellen benutzt werden, die diese Arten von Elektrolyten enthalten.
Typischerweise werden solche Elektrolytplatten durch Formpressen des inerten Materials, das mit den Alkalimetallkarbonaten vermischt ist, hergestellt. Dieses Verfahren zum Herstellen des Matrixgebildes hat viele Nachteile. Das Formpressen ist ein relativ teueres Formverfahren, das einen relativ großen Aufwand an Zeit, Energie und Kapital erfordert. Die sich ergebende formgepreßte Platte ist eine relativ dicke, zerbrechliche Keramiktafel. Sie neigt demgemäß zum Reißen, und es muß bei dem Entwurf der Brennstoffzelle sehr sorgfältig darauf geachtet werden, daß sich eine ebene Oberfläche für diese Tafel ergibt, damit minimale Biege- und Druckkräfte auf die Platte ausgeübt werden, bis diese über ihren Schmelzpunkt erhitzt wird.
Die schlechte Handhabbarkeit und die erforderlichen kritischen Toleranzen, die durch die Verwendung dieses Typs von Matrixgebilde diktiert werden, machen deren Vergrösserung auf kommerzielle Größen und Mengen unattraktiv. Darüber hinaus ist ein die Lebensdauer begrenzendes Funktionsproblem bei formgepreßten Platten dieses Typs vorhan-
- y-g.
den. Wenn die Zelle in Betrieb ist, wird durch korrodierende Reaktionen, Verdampfung und Oberflächenwanderung Elektrolyt verbraucht. In einer typischen Plattenzelle wird der Elektrolyt aus den größeren Poren der Matrix herausgezogen. Das Lithiumaluminat kann in einer Elektrolytplatte durch Formpressen nicht so ausreichend dicht untergebracht werden, daß bei Betriebstemperatur eine kleine, gleichmäßige Porengröße vorliegt. Durch das Herausziehen des Elektrolyten aus der Platte kommt es deshalb zur Kontraktion des Zweiphasengebildes (Matrix und Elektrolyt), was später zur Bildung von Gastaschen führt, die zum Gasübertritt und zu einem hohen inneren Widerstand beitragen.
Ein weiteres Problem, das bei Karbonatschmelzenbrennstoff zellenmatrixmaterial auftrittt, resultiert aus der thermischen Wechselbeanspruchung, die Brennstoffzellen erfahren, beispielsweise im Verlauf einer Routinewartung. Temperaturwechselbeanspruchungen von der Karbonatschmelzenbrennstoff Zellenbetriebstemperatur von 649 0C - 760 0C (1200 0F - 1400 0F) bis herunter auf Raumtemperatur sind nicht ungewöhnlich. Im Verlauf einer solchen thermischen Wechselbeanspruchung können sich in dem Plattenmaterial Risse bilden, insbesondere in dem Dichtungsbereich, was weiter zum Gasübertritt beiträgt.
Es besteht demgemäß ein Bedarf an einem Matrixmaterial, das nicht kritisch zerbrechlich ist und während des Zusammenbaus und des Betriebes einer Karbonatschmelzenbrennstoffzelle Biege- und Druckkräfte aushalten kann.
Die Erfindung ist auf ein Verbundmatrixmaterial für eine Karbonatschmelzenbrennstoffzelle gerichtet, das einen Matrixbandteil und einen Blasensperrteil enthält. Der Matrixbandteil ist eine Tafel oder allgemein ein Flächenmaterial, das aus einem Gemisch aus Keramikteil-
chen, d.h. Teilchen, die gegenüber der Karbonatschmelzenumgebung inert sind, und aus einem organischen polymeren Bindemittel, das unter Brennstoffzellenbetriebsbedingungen verbrennt oder verdampft, hergestellt ist. Der Blasensperrteil ist ein feinporiges, ionendurchlässiges, in Verbindung mit dem Elektrolyten bei Karbonatschmelzenbrenn-■ stoffZellenbetriebsbedingungen gasdurchlässiges Flächenmaterial, das mit dem Matrixband verbunden ist.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist eine Karbonatschmelzenbrennstoffzelle, die ein solches Matrixmaterial enthält und verbesserte Dichtungs-, Stabilitäts- und Leistungseigenschaften hat.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Karbonatschmelzenbrennstoffzelle nach der Erfindung.
In dem Bandteil der Verbundmatrix nach der Erfindung sind vorzugsweise drei Komponenten enthalten. Die erste Komponente sind inerte Teilchen, die vorzugsweise eine Größe von weniger als etwa 1 μπι haben. Das ergibt eine feine Porengröße (z.B. etwa 0,15 bis etwa 0,3 μΐη mittlere Porengröße) in der fertigen Matrix, die gewährleistet, daß der Elektrolyt festgehalten wird, γ -Lithiumaluminat ist zwar das bevorzugte inerte Material, es kann jedoch auch anderes Material verwendet werden, das gegenüber der Karbonatschmelzenumgebung inert ist, wie beispielsweise Zerdioxid, Strontiumtitanat, Strontiumzirkonat, usw.
Die zweite Komponente des Bandes nach der Erfindung ist korrosionsbeständiges keramisches Teilchenmaterial, das einen mittleren Größenbereich von über etwa 25 um und vorzugsweise von über etwa 50 pm (z.B. 50-150 um) im Durch-
messer hat. Die Funktion dieser Komponente ist hauptsächlich die Rißdämpfung. Sie kann aus dem gleichen Material wie die oben erwähnten inerten Teilchen oder aus einem reaktionsfähigeren Material bestehen, wie beispielsweise Aluminiumoxid, weil die größere Teilchengröße einen kleineren Oberflächeninhalt hat und deshalb eine geringere Reaktionsfähigkeit gegenüber dem Karbonatschmelzenelektrolyten ergibt. Das gestattet die Verwendung von keramischen Materialien, die im allgemeinen als unkompatibel mit einem Karbonatschmelzensystem angesehen werden. In diesem Zusammenhang wird auf eine weitere Patentanmeldung der Anmelderin verwiesen, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 158 019, vom 9. Juni 1980 in Anspruch genommen worden ist, und auf die bezüglich weiterer Einzelheiten Bezug genommen wird.
Die dritte Komponente ist das vorübergehend vorhandene polymere Bindemittel. Dieses Bindemittel gibt dem Band Handhabbarkeit, Flexibilität und Anpaßbarkeit, wobei es sich um drei wichtige bauliche Eigenschaften handelt. Es kann zwar jedes Polymer benutzt werden, das bei Temperaturen zerfällt, die unter den Betriebstemperaturen der Karbonatschmelzenbrennstoffzelle liegen, Polyvinylbutyral (Monsanto Butvar B-98) wird jedoch bevorzugt. Verschiedene Weichmacher und andere Modifizierungsmittel, wie Fließfähigkeitssteuermittel, können dem Polymer für Aufbringzwecke zugesetzt werden.
Die Komponenten werden mit einem organischen Lösungsmittel vermischt und auf eine Formoberfläche aufgebracht, die mit einem Trennmittel behandelt ist. Nach dem Trocknen wird das so gebildete Band entfernt und ist bereit, in die Karbonatschmelzenbrennstoffzelle eingebaut zu werden. Die Mengen der Materialien können sich ändern, vorzugsweise werden sie aber in einem Bereich von etwa 40 Vol.% bis etwa 45 Vol.% der inerten Submikronteilchen
und etwa 5 Vol.% bis etwa 30 Vol.% und vorzugsweise etwa 15 Vol.% der größeren, rißdämpfenden Keramikteilchen benutzt, wobei der Rest das Kunststoff-Bindemittel ist. Die Materialien werden vorzugsweise in einer Kugelmühle mit organischen Lösungsmitteln, wie beispielsweise chlorierten Kohlenwasserstoffen und Alkohol, vermischt.
Die überzüge können auf die Formoberfläche durch irgendein Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Bürsten, Sprühen, usw., obgleich die Verwendung von herkömmlichen Vorhangbeschichtern und Rakeln bevorzugt wird. Es sei der "Rakelprozeß" von J.C. Williams beachtet, bei dem es sich um ein Verfahren zum Herstellen von elektronischen Keramikbändern durch die Verwendung eines Rakelprozesses handelt (Treatise On Materials Science and Technology, Band 9, Ceramic Fabrication Processes, Franklin F.Y. Wang).
Bei dem Überzugsvorgang wird eine Glasformoberfläche bevorzugt, und es ist zwar eine Vielfalt von Formentrennmitteln, wie beispielsweise Teflon ^ (duPont De Nemours & Co., Inc.) und Bienenwachs, benutzt worden, es hat sich jedoch gezeigt, daß Bienenwachs leicht auftragbar ist und mehrere Formvorgänge aushält. Das Bienenwachs kann, gelöst in Perchlorethylen, mit einem sauberen Tuch aufgebracht werden. "Master Sheet Wax" (the Kindt-Collins Co., Cleveland, Ohio) hat sich für diesen Zweck als besonders geeignet erwiesen. Es ist insbesondere erwünscht, mehrere Schichten des Matrixverbundmaterials aufzubringen, wobei zwischen jeder Aufbringung getrocknet wird, bevor es von der Formoberfläche entfernt wird.
Chlorierte Kohlenwasserstoffe und Alkohole haben sich als bevorzugte organische Lösungsmittel zum richtigen Trocknen und zur Fließfähigkeitssteuerung des Matrix-
bandmaterials während des Gießens herausgestellt. Alkohole, wie beispielsweise Ethanol und Butanol, vermischt mit chlorierten Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Perchlorethylen, haben der Aufschlämmung geeignete Fließeigenschaften gegeben. Eine Aufschlämmungsviskosität in dem Bereich von 80-120 cPa s (800-1200 cps) wird für das Gießen der Schichten, entweder mittels einer Rakel oder mittels eines Vorhangbeschichters, bevorzugt. Weitere Materialien werden zugesetzt, die das Mischen und Gießen und die Eigenschaften des fertigen Bandes fördern. Ein Entflockungsmittel, wie beispielsweise Rohfischöl, unterstützt das Dispergieren der Keramikteilchen. Ein Antischaummittel, wie beispielsweise Dow Antifoam-A, unterstützt das Entweichen von eingeschlossenen Gasblasen während des Trocknens. Weichmacher, wie der Monsanto Santicizer Nr. 8, verhindern die Versprödung des getrockneten Bandes. Das Fischöl trägt außerdem zur Flexibilität bei.
Das Einschließen von Gasblasen in dem Band erfordert, daß die Gasblasen vor dem Trocknen entfernt werden. Um das zu unterstützen, muß das Trocknen durch die Verwendung von Lösungsmitteln mit niedrigerem Dampfdruck, wie beispielsweise Butanol, verzögert werden, oder, was noch wirksamer ist, durch Halten des gerade gegossenen Bandes in einer Atmosphäre, die mit Lösungsmitteldämpfen gesättigt ist. Typisch wird eine Verzögerung von 15 min vor dem Trocknen den Blasen zu entweichen gestatten. Die Verwendung eines Antischaummittels unterstützt das Aufbrechen und Freisetzen der Blasen. Wenn die Lösungsmitteldampfbehandlung angewandt wird, um eingeschlossene Gasblasen vor dem Trocknen zu entfernen, so kann irgendeines der oben erwähnten Chlorkohlenwasserstoff- oder Alkohollösungsmittel benutzt werden, obgleich die Verwendung eines azeotropen Gemisches aus Perchlorethylen und Ethanol bevorzugt wird. Die Behandlungszeit sollte ausreichen, um
die Gasblasen zu entfernen; in den meisten Fällen sind Zeiten von wenigstens 5 min erforderlich.
Es kann zwar jedes Metall, das bei dem Anodenpotential stabil ist, als Blasensperrtafel oder -schicht nach der Erfindung benutzt werden, Nickel und Kupfer und deren Legierungen werden jedoch besonders bevorzugt. Die Metallblasensperrtafel wird durch herkömmliche Metallformverfahren hergestellt, beispielsweise durch Pulversintern. In Abhängigkeit von den Entwurfsüberlegungen der Brennstoffzelle, in der die Tafeln benutzt werden sollen, können diese in jeder gewünschten Größe hergestellt werden, vorzugsweise werden sie aber in einer Größe von etwa 0,093 in2 bis etwa 0,83 m2 hergestellt. Die durch dieses Verfahren hergestellten Tafeln haben außerdem vorzugsweise eine Porosität von etwa 25 Vol.% bis etwa 35 Vol.% und eine mittlere Porengröße von etwa 1 μπι oder weniger.
Es wird zwar bevorzugt, ein anodenstabiles Metall (wie beispielsweise Nickel) in Verbindung mit dem Matrixband zu verwenden, ein katodenstabiles Metall könnte jedoch ebenfalls benutzt werden, wie beispielsweise ein rostfreier Stahl oder eine Nickellegierung, wie beispielsweise Hastalloy-'iCabot Corporation) , wobei dann die Brennstoffzelle so aufgebaut ist, daß sich die feinporige Platte an der Katode befindet. Eine dritte Alternative besteht darin, die feinen Poren mit einem keramischen Sintermaterial herzustellen und dieses mit dem Matrixband zu verbinden, in welchem Fall es mit der Anode oder mit der Katode in Berührung gebracht werden könnte. Weiter könnte eine Kombination benutzt werden, die ein anodenstabiles Metall auf einer Seite des Matrixbandes und ein katodenstabiles Metall auf der anderen Seite oder eines der beiden zusammen mit dem keramischen Sintermaterial enthält.
Alle Verbindungsmittel, die mit der Blasensperrschicht und dem Matrixband in dieser Umgebung kompatibel sind, können benutzt werden, um die beiden aneinander zu befestigen. Es wird jedoch bevorzugt, das Matrixband einfach durch Warmpressen mit der Blasensperrschicht zu verbinden, wobei das organische polymere Bindemittel des Bandes als Klebstoff dient.
Welter wird zwar bevorzugt, für Handhabungs- und Betriebszwecke die feinporige Tafel mit dem Matrixband zu verbinden, das ist jedoch nicht notwendig. Beispielsweise könnten die beiden unabhängig voneinander in die Brennstoffzelle gelegt werden, obgleich eine bessere Ausrichtung sichergestellt werden kann, wenn sie miteinander verbunden sind. Während das Matrixband vorzugsweise eine Übergröße von wenigstens 0,5 cm (vorzugsweise 0,5 cm bis 1,3 cm) im Vergleich zu der feinporigen Tafel hat, können die beiden auch die gleiche Abmessung haben.
Hauptvorteile, die das integrale Matrixband und die Blasensperrschicht in der Karbonatschmelzenbrennstoffzelle ergeben, sind eine Haltesperrschicht zum Verhindern des Gasübertritts, wenn die Keramikmatrix während thermischer Wechselbeanspruchung aufgrund von Differenzen im Ausdehnungskoeffizienten zwischen der mit Elektrolyt gefüllten Keramikmatrix und dem baulichen Metall der Brennstoffzelle reißen sollte; da die Anode und die Anodenschienen (vgl. die Bezugszahl· 3 in der Figur) nicht spaltfrei sind, d.h. nicht vollkommen zusammenpassen, besteht die Gefahr, daß Matrixmaterial in die Risse eindringt, wodurch sich Stellen für einen Gasdurchtritt durch die Matrix ergeben, was durch das integrale Matrixband und die Blasensperrschicht nach der Erfindung ebenfalls verhindert wird.
Im Betrieb wird sich aufgrund der hohen Temperaturen, die in einer Karbonatschmelzenbrennstoffzelle auftreten, die
feinporige Tafel des Matrix-Tafel-Verbundgebildes mit dem Metall der Anode und dem Dichtungsmaterial von selbst verbinden. Dadurch wird die Abdichtung der Brennstoffzelle verbessert, insbesondere während thermischer Wechselbeanspruchung.
In Tests, die an Karbonatschmelzenbrennstoffzellen ausgeführt worden sind, welche eine Matrix und eine feinporige Tafel nach der Erfindung enthielten, zeigte sich nach 3000 h keine meßbare Zunahme des inneren Widerstands oder des Druckabfalls an der Zelle, wenn die feinporigen Tafeln nach der Erfindung benutzt wurden. Weiter gab es keinen übertritt von reaktionsfähigem Gas. Weiter wurden thermische Wechselbeanspruchungstests zwischen Raumtemperatur und 649 "C-760 0C bis zu achtmal durchgeführt, ohne daß sich irgendein Anzeichen für eine Rißbildung in der Matrix oder für einen Gasübertritt zeigte.
überraschenderweise ergibt die feinporige Tafel nach der Erfindung nicht nur zusätzliche Stabilität und erleichtert die Handhabung des Matrixbandes und der Matrix im Betrieb der Brennstoffzelle, sondern ermöglicht das auch ohne jeden meßbaren Verlust an Leistungseigenschaften, wie inneren Widerstand oder anderer Anodenpolarisierung in der Brennstoffzelle. Dieses Ergebnis wurde ziemlich unerwartet erzielt.
Ein weiterer Vorteil des Matrixbandes nach der Erfindung ist im Vergleich zu den bekannten Matrizen seine Biegsamkeit und Nachgiebigkeit, die ihm gestatten, sich, wenn es zwischen den Elektroden in einer Karbonatschmelzenbrennstoffzelle angeordnet ist, den Unregelmäßigkeiten von deren Oberflächen anzupassen, wodurch ein innigerer Kontakt erzeugt wird und so Zwischenräume beseitigt werden, die sonst den erforderlichen Ionenübergang stören könnten.
Nachdem das Matrixband hergestellt worden ist, wird die Anode mit Elektrolyt vorgefüllt, die ein ausreichendes Porenvolumen hat, das ihr ermöglicht, genug Elektrolyten für die Lebensdauer der Zelle (z.B. 40000 h) und genug Elektrolyten zum Füllen der Matrix aufzunehmen. Solche Anoden werden im allgemeinen so hergestellt, daß sie eine Porosität von etwa 50 Vol.% bis etwa 70 Vol.% (vorzugsweise etwa 50 bis etwa 55 Vol.%) haben, wobei etwa 30 bis etwa 95 Vol.% (vorzugsweise etwa 95 Vol.%) dieser Porosität mit Elektrolyt gefüllt werden. Die Zelle wird allmählich erhitzt, um das Kunststoff-Bindemittel zu zersetzen und zu beseitigen, bevor der Elektrolyt schmilzt, was dem Elektrolyten gestattet, die Anode zu verlassen und in die Matrix zu gehen, wobei er die Poren der Matrix und der Blasensperrschicht im wesentlichen füllt. Zellendichtungen und Katoden können ebenfalls mit Elektrolyt aus derselben Anodenquelle versorgt werden.
788 g Perchlorethylen, 260 g sekundäres Isobutanol und 36 g Dow-Corning Antifoam-A wurden mit 1200 g gebranntem (4h bei 704 0C), in einer Strahlmühle gemahlenem /-LiAIo2 vermischt und mit Aluminiumoxidkugeln in einer Kugelmühle 24 h lang gemahlen, um das LiAlC^ gründlich zu dispergieren. 150 g Monsanto Santicizer Nr. 8 (N-ethyl-ortho- und -paratoluolsulfonamld), 750 g denaturiertes Ethanol und 275 g Monsanto Butvar B-98 (Polyvinylbutyral) wurden dann zugesetzt, und das Mahlen in der Kugelmühle wurde 48 h lang fortgesetzt. Die Aluminiumoxidmahlkugeln wurden dann entfernt, und 60 g Rohfischöl und 632 g 120-Hartstoff-Alundum-38 (Al2O3) wurden zugesetzt. Das alles wurde dann ohne Kugeln in der Kugelmühle umgewälzt, um die Bestandteile ohne weiteres Mahlen miteinander zu vermischen. Die Mühle wurde dann langsam genug gedreht (1-2 U/min) , um das Entweichen der meisten eingeschlossenen Gasblasen zu gestatten, ohne dem Aluminiumoxid zu gestatten sich abzusetzen. Diese Lö-
sung wurde mit einer Rakel auf Glastafeln aufgebracht, die mit einem Bienenwachsformentrennmittel behandelt waren, überzüge mit einer Dicke von 229-305 μΐη wurden aufgebracht und an Luft für 5-15 min bis zu einer Dicke von etwa 127-152 μπι trocknen gelassen. Dieser Prozeß wurde wiederholt, bis überzüge mit einer Dicke von 305-635 μπι erzielt waren. Das fertige getrocknete Band war von der Formoberfläche leicht entfernbar und hatte eine nachgiebige Konsistenz. Bei der Messung auf einem Shore-A-Härtemesser konnte typisch der Wert 94 abgelesen werden.
Ein Gemisch aus etwa 0,5 bis etwa 10 Gew.% Chrompulver (und vorzugsweise etwa 2 Gew.%) und im übrigen aus Nickelpulver (mittlerer Durchmesser 25,4 bis 127 μπι) wird hergestellt. Das gemischte Pulver wird auf einer Keramiktragplatte ausgebreitet und in einer aus 10 % Wasserstoff und im übrigen aus Stickstoff bestehenden Atmosphäre bei 871 öC-1093 "0C gesintert. Anschließend daran wird das Flächen·1-material bis zu einer Dicke von etwa 76 bis etwa 127 μπι auf herkömmliche Weise kaltgewalzt und bei 816 0C geglüht. Nach der Herstellung des Bandes und des Metalls werden die beiden Flächenmaterialien bei etwa 93 0C bis etwa 204 0C (bevorzugt bei 135 0C) und bei Drücken von etwa 3,4, 13,8 MPa (500-2000 psi) warm zusammengepreßt. Vorzugsweise ist das Band etwa 381 μπι dick, und das feinporige Flächenmaterial ist etwa 127 μπι dick, was eine Gesamtdicke von ungefähr 508 μΐη ergibt.
Ein zehnzelliger KarbonatschmelzenbrennstoffZellenstapel aus Flächenmaterialien von 0,093 m2 wurde dann zusammengefügt, indem Matrixbänder zwischen porösen Nickelanoden, die mit Elektrolyt bis ungefähr 95 % ihrer Porosität vorgefüllt waren, und porösen Nickelkatoden (Nickeloxid wurde ebenfalls benutzt) angeordnet wurden, mit Separatorplatten zwischen den Zellen, und indem sie nach dem folgenden ange-
gebenen Plan erhitzt wurden. Es sei angemerkt, daß dieses Beispiel zwar auf einer Elektrode-Matrix-Baugruppe in einem zehnzeiligen Stapel basiert, daß ein gesamter Brennstoffzellenstapel jedoch aus ungefähr 500 derartigen Elektrode-Matrix-Baugruppen bestehen kann, die gemäß diesem Verfahren wärmebehandelt werden können. Der zehnzeilige Stapel der oben beschriebenen Zellen wurde von Raumtemperatur auf 205 0C in einer Luftumgebung bei einer Temperaturzunahme von 40 0C pro Stunde erhitzt. Nachdem eine Temperatur von 205 0C erreicht worden war, wurde der Stapel für 6 h auf dieser Temperatur gehalten. Die Temperatur des Stapels wurde anschließend in Schritten von 40 0C auf 315 0C erhöht, wobei diese Temperatur dann 6 h lang aufrechterhalten wurde. Dadurch wird sämtliches Lösungsmittel aus dem Band entfernt, und das Verdampfen des Polymers beginnt. Die Temperatur des Stapels wurde dann wieder mit 40 0C pro Stunde auf 470 0C erhöht und dann für 2 h aufrechterhalten. Es erfolgte nun die vollständige thermi- , sehe Zersetzung und Verdampfung des Polymers. Anschließend daran wurde ein reduzierendes Gas in den Stapel eingeleitet, und die Temperatur wurde über den Schmelzpunkt des Elektrolyten (etwa 490 0C) mit der Geschwindigkeit von 40 0C pro Stunde erhöht, bis eine Stapelbetriebstemperatur von ungefähr 650 0C erreicht worden war.
Die Erfindung ist zwar hauptsächlich am Beispiel von besonderen inerten Teilchen, Keramikteilchen, polymeren Bindemitteln, Lösungsmitteln, Blasensperrschichten und Formentrennmitteln beschrieben worden, es liegt jedoch im Rahmen fachmännischen Könnens, irgendwelche anderen Materialen zu verwenden, die mit einer Karbonatschmelze unter BrennstoffZellenbetriebsbedingungen kompatibel sind.
Das Verbundmatrixmaterial ist in Fig. 1 angegeben, in wel-
eher der Matrixbandteil mit der Bezugszahl 1a und die feinporige Blasensperrschicht mit der Bezugszahl 1b bezeichnet ist. Die Anode 2 ruht auf der Blasensperrschicht 1b. Schienen 3 und 4 dienen zur Gasabdichtung an den Rändern der Zelle, um das Brennstoffgas von dem Oxidationsmittelgas weiter zu trennen. Separatorplatten 5 dienen, außer zum Trennen der Gase, zum Hindurchleiten von Strom durch den Stapel. Die Katode ist mit der Bezugszahl 6 bezeichnet und hat eine Katodenkatalysatorschicht 7.

Claims (7)

  1. Patentansprüche :
    1 .,· Matrixmaterial, insbesondere für eine Karbonatschmelzenbrennstoffzelle, gekennzeichnet durch eine feinporige, gasdurchlässige, anodenstabile Metallschicht (1b), die eine Porosität von etwa 25 bis etwa 35 Vol.% hat und mit einem Matrixband (1a) verbunden ist, das Teilchen, die gegenüber einem Karbonatschmelzenelektrolyten inert sind und eine Teilchengröße von weniger als etwa 1 um haben, Keramikteilchen mit einer Teilchengröße von über etwa 25 μπι und ein organisches polymeres Bindemittel, das in einer Menge von wenigstens etwa 25 Vol.% vorliegt, enthält und bei Raumtemperatur flexibel, geschmeidig und nachgiebig ist.
  2. 2. Matrixmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inerten Teilchen etwa 40 bis etwa 45 Vol.% ausmachen und daß die Keramikteilchen in einer Menge von wenigstens 15 Vol.% vorliegen.
  3. 3. Matrixmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer Polyvinylbutyral ist.
    _ 2 —
  4. 4. Matrixmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Material Lithiumaluminat ist.
  5. 5. Matrixmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikteilchen Aluminiumoxid sind.
  6. 6. Matrixmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (1b) etwa
    76 um bis etwa 127 μτα dick ist und daß das Matrixband
    (1a) etwa 254 um bis etwa 381 um dick ist.
  7. 7. Matrixmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (1b) Nickel mit etwa 2 bis etwa 10 Gew.% Chrom ist.
DE19823235240 1981-09-30 1982-09-23 Matrixmaterial, insbesondere fuer eine karbonatschmelzenbrennstoffzelle Granted DE3235240A1 (de)

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Publication Number Publication Date
DE3235240A1 true DE3235240A1 (de) 1983-04-21
DE3235240C2 DE3235240C2 (de) 1991-10-24

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Application Number Title Priority Date Filing Date
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Country Link
US (1) US4411968A (de)
JP (1) JPS5871564A (de)
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