DE3235240C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Matrixmaterial der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Ein solches Matrixmaterial ist in der DE 31 22 787 A1
beschrieben.
Karbonatschmelzenbrennstoffzellen sind beispielsweise
aus den US-PS 40 09 321 und 40 79 171 bekannt. Der
Elektrolyt ist in einer solchen Brennstoffzelle bei Raumtemperatur
fest und bei Betriebstemperaturen, die im allgemeinen
zwischen 500°C und 750°C 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 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 von Brennstoff-
und Oxidationsmittelgasen 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 Brennstoffzellenumgebung
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.
Üblicherweise 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 eine die Lebensdauer begrenzendes Funktionsproblem
bei formgepreßten Platten dieses Typs vorhanden.
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 Matrixmaterial für Karbonatschmelzenbrennstoffzellen
auftritt, resultiert aus der
thermischen Wechselbeanspruchung, die Brennstoffzellen
erfahren, beispielsweise im Verlauf einer Routinewartung.
Temperaturwechselbeanspruchungen von der
Betriebstemperatur von 649°C-760°C
der Karbonatschmelzenbrennstoffzellen
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.
Auch das in der oben erwähnten DE 31 22 787 A1 beschriebene Matrixmaterial
ist zerbrechlich und kann während des Zusammenbaus
und des Betriebes einer Karbonatschmelzenbrennstoffzelle
unter Umständen Biege- und Druckkräften nicht ausreichend
standhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Matrixmaterial der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden,
daß es in der Lage ist, die während des Zusammenbaus
und des Betriebes einer Karbonatschmelzenbrennstoffzelle
auftretenden Biege- und Druckkräfte auszuhalten, und
daß sich mit ihm Karbonatschmelzenbrennstoffzellen mit verbesserten
Dichtungs-, Stabilitäts- und Leistungseigenschaften
herstellen lassen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in
Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
Bei dem Matrixmaterial nach der Erfindung ist das Matrixband
eine Tafel oder allgemein ein Flächenmaterial, das aus
einem Gemisch aus Keramikteilchen,
d. h. Teilchen, die gegen die Karbonatschmelzenumgebung
inert sind, besteht und das organische polymere
Bindemittel unter Brennstoffzellenbetriebsbedingungen
verbrennt oder verdampft. Die Metallschicht dient als
Sperre und ist ein feinporiges, ionendurchlässiges, in Verbindung
mit dem Elektrolyten bei den Betriebsbedingungen in Karbonatschmelzenbrennstoffzellen
ein gasdurchlässiges Flächenmaterial,
das mit dem Matrixband verbunden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
beschrieben.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine
Karbonatschmelzenbrennstoffzelle.
In einem Matrixband des Matrixmaterials sind
vorzugsweise drei Komponenten enthalten. Die erste Komponente
sind inerte Teilchen, die vorzugsweise eine Größe
von weniger als 1 µm haben. Das ergibt eine feine Porengröße
(z. B. 0,15 bis 0,3 µm 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 Matrixbandes ist
korrosionsbeständiges keramisches Teilchenmaterial, das einen
mittleren Größenbereich von über 25 µm und vorzugsweise
von über 50 µm (z. B. 50-150 µm) im Durchmesser
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, das wegen der größeren 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.
Die dritte Komponente ist das vorübergehend vorhanden
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
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
40 Vol.-% bis 45 Vol.-% an inerten Submikronteilchen
und 5 Vol.-% bis 30 Vol.-% und vorzugsweise
15 Vol.-% an größeren, rißdämpfenden Keramikteilchen
benutzt, wobei der Rest das polymere 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 Polytetrafluorethylen
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. Bienenwachs in Blattform
hat sich für diesen Zweck
als besonders geeignet erwiesen. Es ist insbesondere erwünscht,
mehrere Schichten des Matrixmaterials
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 Matrixbandmaterials
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 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 eine Mischung aus Polydimethylsiloxan und
Kieselerde unterstützt das Entweichen von eingeschlossenen Gasblasen
während des Trocknens. Weichmacher wie
N-ethyl-ortho- und -para-toluolsulfonamid verhindern die Versprödung des getrockneten
Bandes. Das Fischöl trägt außerdem zur Flexibilität
bei.
Das Einschließen von Gasblasen in das 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.
Eine Verzögerung von 15 min vor dem Trocknen
wird den Blasen zu entweichen gestattet. 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 irgendeine 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 Blasensperre benutzt
werden, Nickel und Kupfer und deren Legierungen
werden jedoch besonders bevorzugt. Die als Blasensperre
dienende Metallschicht wird durch herkömmliche Metallformverfahren
hergestellt, beispielsweise durch Pulversintern. In Abhängigkeit
von den Entwurfsüberlegungen der Brennstoffzelle,
in der die Blasensperre benutzt werden sollen, können
diese in jeder gewünschten Größe hergestellt werden, vorzugsweise
werden sie aber in einer Größe von 0,093 m²
bis 0,83 m² hergestellt. Die durch dieses Verfahren
hergestellten Metallschichten haben außerdem vorzugsweise eine
Porosität von 25 Vol.-% bis 35 Vol.-% und eine
mittlere Porengröße von 1 µm 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, bestehend beispielsweise
aus 20-23% Chrom, 8-10% Molybdän, 0,5-2,5% Kobalt, 17-20% Eisen, Rest
Nickel (Hastalloy®), wobei dann die Brennstoffzelle
so aufgebaut ist, daß sich die feinporige Metallschicht
an der Kathode 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 Kathode
in Berührung gebracht werden könnte. Weiter könnte
eine Kombination benutzt werden, die ein anodenstabiles
Metall auf einer Seite des Matrixbandes und ein kathodenstabiles
Metall auf der anderen Seite oder eines der beiden
zusammen mit dem keramischen Sintermaterial enthält.
Alle Verbindungsmittel, die mit der Metallschicht
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 Metallschicht zu
verbinden, wobei das organische polymere Bindemittel des
Bandes als Klebstoff dient.
Weiter wird zwar bevorzugt, für Handhabungs- und Betriebszwecke die
feinporige Metallschicht 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
Metallschicht hat, können die beiden auch die gleiche Abmessung
haben.
Hauptvorteile, die das integrale Matrixband und die als Blasensperre
dienende Metallschicht 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 Metallschicht
ebenfalls verhindert wird.
Im Betrieb wird sich aufgrund der hohen Temperaturen, die
in einer Karbonatschmelzenbrennstoffzelle auftreten, die
feinporige Metallschicht des Matrixmaterials 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 ein Matrixband und eine feinporige
Metallschicht enthielten, zeigte sich nach
3000 h keine meßbare Zunahme des inneren Widerstands oder
des Druckabfalls an der Zelle, wenn die feinporigen Metallschichten
benutzt wurden. Weiter gab es keinen
Übertritt von reaktionsfähigem Gas. Weiter wurden thermische
Wechselbeanspruchungstests zwischen Raumtemperatur und
649°C-760°C bis zu achtmal durchgeführt, ohne daß sich
irgendein Anzeichen für eine Rißbildung in der Matrix oder
für einen Gasübertritt zeigte.
Die feinporige Metallschicht ergibt
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 innerem
Widerstand oder anderer Anodenpolarisierung in der
Brennstoffzelle.
Ein weiterer Vorteil des Matrixbandes
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. 4000 h) und genug
Elektrolyten zum Füllen der Matrix aufzunehmen. Solche
Anoden werden im allgemeinen so hergestellt, daß sie eine
Porosität von 50 Vol.-% bis 70 Vol.-% (vorzugsweise
50 bis 55 Vol.-%) haben, wobei 30 bis
95 Vol.-% (vorzugsweise 95 Vol.-%) dieser Porosität
mit Elektrolyt gefüllt werden. Die Zelle wird allmählich
erhitzt, um das polymere 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
Metallschicht im wesentlichen füllt. Zellendichtungen und
Kathoden können ebenfalls mit Elektrolyt aus derselben Anodenquelle
versorgt werden.
788 g Perchlorethylen, 260 g sekundäres Isobutanol und 36 g
der Mischung aus Polydimethylsiloxan und Kieselerde
wurden mit 1200 g gebranntem (4 h
bei 704°C), in einer Strahlmühle gemahlenem γ-LiAlO₂ vermischt
und mit Aluminiumoxidkugeln in einer Kugelmühle 24 h
lang gemahlen, um das LiAlO₂ gründlich zu dispergieren.
150 g N-ethyl-ortho- und -paratoluolsulfonamid,
750 g denaturiertes Ethanol und 275 g
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 (0,02-0,03 s-1), um das Entweichen
der meisten eingeschlossenen Gasblasen zu gestatten, ohne
dem Aluminiumoxid zu gestatten sich abzusetzen. Diese Lösung
wurde mit einer Rakel auf Glastafeln aufgebracht, die
mit einem Bienenwachsformentrennmittel behandelt waren. Überzüge
mit einer Dicke von 229-305 µm wurden aufgebracht
und an Luft für 5-15 min bis zu einer Dicke von 127-152 µm
trocknen gelassen. Dieser Prozeß wurde wiederholt,
bis Überzüge mit einer Dicke von 305-635 µm 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
der Wert 94 abgelesen werden.
Ein Gemisch aus 0,5 bis 10 Gew.-% Chrompulver
(vorzugsweise 2 Gew.-%) und im übrigen aus Nickelpulver
(mittlerer Durchmesser 25,4 bis 127 µm) 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°C-1093°C
gesintert. Anschließend daran wird das Flächenmaterial
bis zu einer Dicke von etwa 76 bis etwa 127µm
auf herkömmliche Weise kaltgewalzt und bei 816°C geglüht.
Nach der Herstellung des Bandes und des Metalls werden die
beiden Flächenmaterialien bei 93°C bis 204°C
(bevorzugt bei 135°C) und bei Drücken von 3,4-13,8 MPa
warm zusammengepreßt. Vorzugsweise ist
das Band 381 µm dick, und das feinporige Flächenmaterial
ist 127 µm dick, was eine Gesamtdicke von
508 µm ergibt.
Ein zehnzelliger Karbonatschmelzenbrennstoffzellenstapel
aus Flächenmaterialien von 0,093 m² wurde dann zusammengefügt,
indem Matrixbänder zwischen porösen Nickelanoden,
die mit Elektrolyt bis 95% ihrer Porosität vorgefüllt
waren, und porösen Nickelkathoden (Nickeloxid wurde
ebenfalls benutzt) angeordnet wurden, mit Separatorplatten
zwischen den Zellen, und indem sie nach dem folgenden angegebenen
Plan erhitzt wurden. Es sei angemerkt, daß dieses
Beispiel zwar auf einer Elektrode-Matrix-Baugruppe in
einem zehnzelligen Stapel basiert, daß ein gesamter Brennstoffzellenstapel
jedoch aus 500 derartigen Elektrode-Matrix-Baugruppen
bestehen kann, die auf die beschriebene
Weise wärmebehandelt werden können. Der zehnzellige
Stapel der oben beschriebenen Zellen wurde von Raumtemperatur
auf 205°C in einer Luftumgebung bei einer Temperaturzunahme
von 40°C pro Stunde erhitzt. Nachdem eine Temperatur
von 205°C erreicht worden war, wurde der Stapel
für 6 h auf dieser Temperatur gehalten. Die Temperatur
des Stapels wurde anschließend in Schritten von 40°C auf
315°C 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°C pro Stunde auf 470°C erhöht und dann für 2 h aufrechterhalten.
Es erfolgte nun die vollständige thermische
Zersetzung und Verdampfung des Polymers. Anschließend
daran wurde ein reduzierendes Gas in den Stapel eingeleitet,
und die Temperatur wurde über den Schmelzpunkt des
Elektrolyten (490°C) mit der Geschwindigkeit von
40°C pro Stunde erhöht, bis eine Stapelbetriebstemperatur
von 650°C erreicht worden war.
Das Verbundmatrixmaterial ist in Fig. 1 angegeben, in welcher
das Matrixband mit der Bezugszahl 1a und die
feinporige Metallschicht als Blasensperre mit der Bezugszahl 1b bezeichnet
ist. Die Anode 2 ruht auf der Metallschicht
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 Kathode ist mit der Bezugszahl 6 bezeichnet
und hat eine Kathodenkatalysatorschicht 7.
Claims (7)
1. Matrixmaterial für Karbonatschmelzenbrennstoffzellen,
gekennzeichnet durch eine feinporige, gasdurchlässige, anodenstabile
Metallschicht (1b), die eine Porosität von 25
bis 35 Vol.-% hat und mit einem Matrixband (1a) verbunden
ist, das Teilchen, die gegen den Elektrolyten inert sind
und eine Teilchengröße von weniger als 1 µm haben, Keramikteilchen
mit einer Teilchengröße von über 25 µm und ein
organisches polymeres Bindemittel, das in einer Menge von
wenigstens 25 Vol.-% vorliegt, enthält und bei Raumtemperatur
flexibel, geschmeidig und nachgiebig ist.
2. Matrixmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die inerten Teilchen 40 bis 45 Vol.-% ausmachen und daß
die Keramikteilchen in einer Menge von wenigstens 15 Vol.-%
vorliegen.
3. Matrixmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das polymere Bindemittel Polyvinylbutyral
ist.
4. Matrixmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die inerten Teilchen Lithiumaluminat
sind.
5. Matrixmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikteilchen Aluminiumoxid
sind.
6. Matrixmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (1b) 76 µm bis
127 µm dick ist und daß das Matrixband (1a) 254 µm bis 381 µm
dick ist.
7. Matrixmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (1b) Nickel
mit 2 bis 10 Gew.-% Chrom ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/307,338 US4411968A (en) | 1981-09-30 | 1981-09-30 | Molten carbonate fuel cell integral matrix tape and bubble barrier |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3235240A1 DE3235240A1 (de) | 1983-04-21 |
DE3235240C2 true DE3235240C2 (de) | 1991-10-24 |
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ID=23189292
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19823235240 Granted DE3235240A1 (de) | 1981-09-30 | 1982-09-23 | Matrixmaterial, insbesondere fuer eine karbonatschmelzenbrennstoffzelle |
Country Status (8)
Country | Link |
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