EP1332525A2 - Interconnector for fuel cells - Google Patents

Interconnector for fuel cells

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EP1332525A2
EP1332525A2 EP01987954A EP01987954A EP1332525A2 EP 1332525 A2 EP1332525 A2 EP 1332525A2 EP 01987954 A EP01987954 A EP 01987954A EP 01987954 A EP01987954 A EP 01987954A EP 1332525 A2 EP1332525 A2 EP 1332525A2
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EP
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interconnector
fuel cell
fuel
methane
catalyst material
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EP01987954A
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Frank Thom
Ernst Riensche
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Forschungszentrum Juelich GmbH
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Forschungszentrum Juelich GmbH
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Abstract

The invention relates to an interconnector (1') for a fuel cell, comprising means (4) for controlling chemical reactions, for example, the methane/steam reformation reaction. The interconnector can comprise means of accommodating catalytic material for catalysing chemical reactions. Spatially directed chemical reactions, for example, the methane/steam reformation reaction may be catalysed in the interconnector, by means of a directed spatial treatment. Peak temperatures can be reduced, and life expectancy and the efficiency of the fuel cell increased.

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Interkonnektor für BrennstoffzellenInterconnector for fuel cells
Die Erfindung bezieht sich auf einen Interkonnektor für Brennstoffzellen.The invention relates to an interconnector for fuel cells.
Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro- lyten sowie eine Anode auf . Der Kathode wird ein Oxida- tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.A fuel cell has a cathode, an electrolyte and an anode. The cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen.
Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) aus der Druckschrift DE 44 30 958 Cl sowie die PEM- Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 Cl .Various types of fuel cells are known, for example the high-temperature fuel cell (SOFC) from the publication DE 44 30 958 Cl and the PEM fuel cell from the publication DE 195 31 852 Cl.
Die Betriebstemperatur einer Hochtemperaturbrennstoff- zelle beträgt bis zu 1000 °C. An der Kathode einerThe operating temperature of a high-temperature fuel cell is up to 1000 ° C. On the cathode one
Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammen- den Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt . Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer elektrischer Leistungen durch Verbindungselemente, sogenannte Interkonnektoren, elektrisch und mechanisch miteinander gekoppelt. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die ausHigh-temperature fuel cells form oxygen ions in the presence of the oxidizing agent. The oxygen ions pass through the electrolyte and recombine on the anode side with the hydrogen from the fuel to form water. The recombination releases electrons and thus generates electrical energy. Several fuel cells are usually electrically and mechanically coupled to one another by connecting elements, so-called interconnectors, in order to achieve high electrical outputs. An example of such a connecting element is shown by the
DE 44 10 711 Cl bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt. Die Brennstoffzellenstapel bestehen dann aus den bipolaren Platten und den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten.DE 44 10 711 Cl known bipolar plate. Using bipolar plates stacked one above the other, electrically connected in series fuel cells. This arrangement is called a fuel cell stack. The fuel cell stacks then consist of the bipolar plates and the electrode-electrolyte units.
Interkonnektoren besitzen neben den elektrischen und mechanischen Eigenschaften regelmäßig auch Gasvertei- lerstrukturen. Bei der aus der DruckschriftIn addition to the electrical and mechanical properties, interconnectors also regularly have gas distributor structures. In the from the publication
DE 44 10 711 Cl bekannten bipolaren Platte bestehen die Gasverteilerstrukturen aus Stegen mit Elektrodenkontakt, welche Gaskanäle zur Versorgung der Elektroden voneinander trennen. Gasverteilerstrukturen bewirken, daß die Betriebsmittel gleichmäßig in den Elektrodenräumen verteilt werden.DE 44 10 711 Cl known bipolar plate, the gas distributor structures consist of webs with electrode contact, which separate gas channels for supplying the electrodes. Gas distribution structures ensure that the equipment is distributed evenly in the electrode compartments.
Es ist bekannt, auch kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe wie Methan unter Verwendung einer Brennstoffzel- le zur Stromerzeugung zu verwenden. Als kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff kann Erdgas vorgesehen werden. Erdgas wird durch Reformierung in ein Wasserstoffreiches Gas umgewandelt . Aus der Druckschrift DE 195 19 847 Cl ist bekannt, Erdgas intern, das heißt unmittelbar an bzw. innerhalb einer Anode einer Brennstoffzelle in Anwesenheit von Wasserdampf gemäß CH4 + H20 = CO + 3H2 zu reformieren. Diese Reformierung wird auch als interne Reformierung bezeichnet .It is known to also use hydrocarbon-containing fuels such as methane using a fuel cell to generate electricity. Natural gas can be provided as the hydrocarbon-containing fuel. Natural gas is converted into a hydrogen-rich gas through reforming. From document DE 195 19 847 Cl it is known to reform natural gas internally, that is to say directly on or within an anode of a fuel cell in the presence of water vapor in accordance with CH 4 + H 2 0 = CO + 3H 2 . This reforming is also referred to as internal reforming.
Bei Einspeisung von Erdgas im Anodenraum läuft direkt an einem Metall/YSZ-Cermet die Methan-Dampf-Reformierungs- reaktion ab, da die metallische Phase (z. B. Nickel) gemäß dem Stand der Technik bezüglich der Methan-Dampf- Reformierungsreaktion katalytisch wirkt. Diese Reaktion ist stark endotherm (ΔH = 227.5 kJ/mol bei 1000 °C) und entzieht deshalb Wärme aus ihrer Umgebung. Die Reaktions- rate dieser Reaktion ist nachteilig sehr groß im Vergleich zu der nachfolgenden elektrochemischen Reaktion (bei 900 °C Faktor 40) . Dies hat zur Folge, daß bereits innerhalb einer Strecke von wenigen Millimetern nach dem Gaseintritt in den Anodenraum die Reformierungsreaktion komplett abgelaufen ist. Die innerhalb dieser kurzenWhen natural gas is fed into the anode compartment, the methane-steam reforming reaction takes place directly on a metal / YSZ cermet, since the metallic phase (eg nickel) has a catalytic effect according to the prior art with regard to the methane-steam reforming reaction , This reaction is strongly endothermic (ΔH = 227.5 kJ / mol at 1000 ° C) and therefore removes heat from its surroundings. The reaction rate of this reaction is disadvantageously very high in comparison to the subsequent electrochemical reaction (at 900 ° C factor 40). The result of this is that the reforming reaction has already taken place within a few millimeters of the gas entering the anode compartment. The within this short
Strecke benötigte Wärme kann durch die langsamer ablaufenden elektrochemischen Reaktionen nicht ausreichend nachgeliefert werden, so daß ein Temperatureinbruch entstehen kann. Temperatureinbrüche bergen speziell in Hoch- temperaturbrennstoffZellen die Gefahr von thermo- mechanischen Spannungen, die bis hin zur Rißbildung von Dichtmaterialien, wie z. B. Glasloten, führen können. Nachteilhaft wird die Lebensdauer der Brennstoffzelle herabgesetzt . Alternativ kann Brennstoff im Inneren eines Brennstoff- zellenstapels in zusätzlichen Kammern reformiert werden. Man spricht dann von einer integrierten Reformierung. Die endotherme Reformierungsreaktion soll bei der internen bzw. integrierten Reformierung die benötigte Wärme durch die exothermen elektrochemischen Reaktionen beziehen. Gute Wirkungsgrade sollen so erhalten werden.Sufficient heat can not be supplied due to the slower electrochemical reactions, so that a drop in temperature can occur. Temperature drops, especially in high-temperature fuel cells, pose the risk of thermo-mechanical stresses, which can lead to the cracking of sealing materials such as B. glass solders can lead. The service life of the fuel cell is disadvantageously reduced. Alternatively, fuel inside a fuel cell stack can be reformed in additional chambers. One then speaks of an integrated reform. The endothermic reforming reaction in internal or integrated reforming should obtain the required heat through the exothermic electrochemical reactions. Good efficiency should be maintained in this way.
Findet in der SOFC eine interne Methan-Dampf-Reformie- rungsreaktion bei abgesenkten Betriebstemperaturen von 600-700 °C statt, so ist die Reformierungsgeschwindig- keit durch die niedrigen Temperaturen unter Umständen stark gehemmt . Nicht alles Methan wird in der Brennstoffzelle zu Wasserstoff umgewandelt. Nicht erzeugter Wasserstoff kann nicht zur Energieerzeugung genutzt werden. Einbußen im Wirkungsgrad sind die Folge.If an internal methane-steam reforming reaction takes place in the SOFC at reduced operating temperatures of 600-700 ° C, the rate of reforming may be severely inhibited by the low temperatures. Not all methane is converted to hydrogen in the fuel cell. Hydrogen that is not generated cannot be used to generate energy. The result is a loss in efficiency.
Aus DE 195 19 847 Cl ist das sogenannte Anodensubstrat- konzept bekannt. Dabei weist eine tragende Funktion ausübende Anode bezüglich der Methan-Dampf-Reformie- rungsreaktion eine nicht katalytisch wirkende und eine katalytisch wirkende Phase auf. Dadurch wird eine räumliche Steuerung der Methan-Dampf-Reformierungsreaktion erreicht. So wird beispielsweise in Bereichen reduzier- ter Katalysatorkonzentration eine Verzögerung der Methan-Dampf-Reformierungsreaktion und damit eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erzielt . Nachteilig wird eine solche Anode in einem aufwendigen Fertigungsprozeß hergestellt. Der Aufwand zur Herstellung erhöht sich in dem Maße, in dem die Anode mit kontinuierlich oder diskontinuierlich veränderlichen Katalysatorkonzentrationen beaufschlagt werden soll .The so-called anode substrate concept is known from DE 195 19 847 C1. In this case, an anode which has a supporting function has a non-catalytically active and a catalytically active phase with respect to the methane-steam reforming reaction. This achieves spatial control of the methane-steam reforming reaction. For example, in areas of reduced catalyst concentration, the methane-steam reforming reaction is delayed and thus a more uniform temperature distribution is achieved. Such an anode is disadvantageously produced in a complex manufacturing process. The effort to manufacture increases in the extent to which the anode is to be subjected to continuously or discontinuously variable catalyst concentrations.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Interkonnektor zu schaffen, mit dem die gezielte räumliche Steuerung der Temperatur über die räumliche Steuerung chemischer Reaktionen in Brennstoffzellen, und insbesondere über die Steuerung der Methan-Dampf-Reformierungs- reaktion, gewährleistet ist. Eine gleichmäßige Temperatur ist dadurch gewährleistet und thermo-mechanische Spannungen werden verhindert .The object of the invention is therefore to create an interconnector with which the targeted spatial control of the temperature is ensured by the spatial control of chemical reactions in fuel cells, and in particular by the control of the methane-steam reforming reaction. This ensures a constant temperature and prevents thermo-mechanical stresses.
Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoff- zellenstapels bereit zu stellen, mit dem eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle gewährleistet ist.Another object of the invention is to provide a method for operating a fuel cell or a fuel cell stack, with which a uniform temperature distribution in the fuel cell is ensured.
Die Aufgabe wird durch einen Interkonnektor mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dieser umfaßt Mittel zur Steuerung chemischer Reaktionen. Unter chemischen Reaktionen sind insbesondere Reformierungsreaktionen, wie z. B. die Methan-Dampf-Reformierungsreaktion und die Reaktion zur Reformierung von H2 aus Erdgas zu ver- stehen. Ohne Einschränkung der Erfindung können jedoch auch elektrochemische Reaktionen durch den Interkonnektor gesteuert werden. Vorteilhaft umfaßt der Interkonnektor einen katalytisch aktiven Bereich (Anspruch 2) .The object is achieved by an interconnector with the features of claim 1. This includes means for controlling chemical reactions. Chemical reactions include in particular reforming reactions such. B. to understand the methane-steam reforming reaction and the reaction to reform H 2 from natural gas. However, without restricting the invention, electrochemical reactions can also be controlled by the interconnector. The interconnector advantageously comprises a catalytically active region (claim 2).
Der Interkonnektor ist in seinen aktiven Bereichen gezielt mit Katalysatormaterial beaufschlagt. In diesen Bereichen können zum Beispiel bezüglich endothermer Reaktionen, wie der Methan-Dampf-Reformierungsreaktion, vorteilhaft Temperaturspitzen abgebaut werden, und/oder andere chemische Reaktionen katalysiert werden. Die zu katalysierende Reaktion kann somit von der Anode ent- koppelt werden und am bzw. im Interkonnektor katalysiert werden.The interconnector is specifically charged with catalyst material in its active areas. In these areas, for example with respect to endothermic reactions, such as the methane-steam reforming reaction, temperature peaks can advantageously be reduced and / or other chemical reactions can be catalyzed. The reaction to be catalyzed can thus be decoupled from the anode and catalyzed on or in the interconnector.
Als Katalysatormaterial können insbesondere Nickel, Kobalt oder Eisen vorgesehen sein (Anspruch 3) . Nickel zeigt bezüglich der Methan-Dampf-Reformierungsreaktion die größte Aktivität, Eisen und Kobalt zeigen weitaus niedrigere Aktivitäten. Der Interkonnektor kann in Form von Pellets, Stäben oder Platten mit dem Katalysatormaterial beaufschlagt sein. Die Menge des eingesetzten Katalysatormaterials an einem bestimmten Ort des Interkonnektors richtet sich nach der Art des Katalysators, dem Umgebungsmilieu, also Druck und Temperatur sowie der zu steuernden Reaktion. Der Interkonnektor kann auf einfache Weise und sehr gezielt in den Bereichen mit Katalysatormaterial beaufschlagt werden, in denen dies auf Grund von Temperaturspitzen und der Kinetik der zu steuernden chemischen Reaktionen nötig ist. Aufwendige Fertigungsprozesse zur Herstellung von Anoden mit differierender Katalysatorkonzentration entfallen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Interkonnektors gemäß Anspruch 4 umfaßt dieser ein oder mehrere Mittel zur Aufnahme von Katalysatormaterial . Die Mittel können durch die Form des Interkonnektors umfaßt sein, so zum Beispiel, wenn dieser durch Fertigungsprozesse so geformt ist, daß er Katalysatormaterial aufnehmen kann.Nickel, cobalt or iron can in particular be provided as catalyst material (claim 3). Nickel shows the greatest activity in the methane-steam reforming reaction, iron and cobalt show much lower activities. The interconnector can be charged with the catalyst material in the form of pellets, rods or plates. The amount of catalyst material used at a specific location of the interconnector depends on the type of catalyst, the ambient environment, that is pressure and temperature, and the reaction to be controlled. The interconnector can be charged with catalyst material in a simple manner and very specifically in those areas where this is necessary due to temperature peaks and the kinetics of the chemical reactions to be controlled. Complex manufacturing processes for the production of anodes with different catalyst concentrations are no longer necessary. In an advantageous embodiment of the interconnector according to the invention as claimed in claim 4, it comprises one or more means for receiving catalyst material. The means can be comprised by the shape of the interconnector, for example if it is shaped by manufacturing processes in such a way that it can accommodate catalyst material.
Als Mittel zur Aufnahme von Katalysatormaterial kann beispielsweise ein gasdurchlässiges Auflagegitter (Anspruch 5) vorgesehen sein. Das Auflagegitter kann durch ein Schweißverfahren mit den Wänden des Interkonnektors verbunden sein. Vorteilhaft wird ein Material für das Gitter ausgewählt, daß sich mit dem Interkonnektor fest verbinden läßt. Das Material sollte inert gegenüber den zu steuernden Reaktionen sein. Durch die Gasdurchlässigkeit des Auflagegitters existiert vorteilhaft eine große reaktive Oberfläche des Katalysators, der nahezu gleichmäßig mit Betriebsmitteln umströmt wird.A gas-permeable support grid (claim 5) can be provided, for example, as a means for receiving catalyst material. The support grid can be connected to the walls of the interconnector by a welding process. A material for the grid is advantageously selected that can be firmly connected to the interconnector. The material should be inert to the reactions to be controlled. Due to the gas permeability of the support grid, there is advantageously a large reactive surface of the catalytic converter which is almost uniformly flowed around with operating media.
Besonders vorteilhaft umfaßt eine Brennstoffzelle einen solchen Interkonnektor (Anspruch 6) . Dadurch erzielt man auch in der Brennstoffzelle sämtliche Vorteile, die durch den Interkonnektor gewährleistet werden. Vielfach werden in Brennstoffzellen nickelhaltige Anodencermets eingesetzt (Ni-YSZ Cermet; 40 vol%Ni/Zr02-8 mol% Y203) . Dort dient das Nickel auch als Reformierungskatalysator . Wird aber Nickel in bestimmten Bereichen des Interkonnektors integriert, so kann vorteilhaft auch auf andere metallhaltige Komponenten für die Anode zurückgegriffen werden, die eine Reformierungsreaktion nicht unterstützen. Die Reformierungsreaktion wird von der Anode entkoppelt. Die räum- liehe Steuerung der Reformierungsreaktion ist somit durch eine differierende Beaufschlagung des Interkonnektors mit Katalysatormaterial möglich. Dadurch wird die Grundlage für eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle geschaffen. Komplizierte Fertigungen der Anodencermets auf Grund differierender Katalysatorkonzentration entfallen .A fuel cell particularly advantageously comprises such an interconnector (claim 6). This also gives the fuel cell all the advantages that are guaranteed by the interconnector. Nickel-containing anode cermets are often used in fuel cells (Ni-YSZ cermet; 40 vol% Ni / Zr0 2 -8 mol% Y 2 0 3 ). There, the nickel also serves as a reforming catalyst. But if nickel is integrated in certain areas of the interconnector, then can advantageously also be used for other metal-containing components for the anode that do not support a reforming reaction. The reforming reaction is decoupled from the anode. The spatial control of the reforming reaction is thus possible by differently applying catalyst material to the interconnector. This creates the basis for an even temperature distribution in the fuel cell. Complicated manufacturing of the anode cermets due to the different catalyst concentration is eliminated.
Die räumliche Steuerung chemischer Reaktionen über den Interkonnektor und damit eine zumindest teilweise Entkopplung von Katalysatormaterial von einer Elektrode ist prinzipiell auf alle Brennstoffzellentypen übertragbar.The spatial control of chemical reactions via the interconnector and thus an at least partial decoupling of catalyst material from an electrode can in principle be transferred to all types of fuel cells.
Ein Brennstoffzellenstapel umfaßt mindestens zwei solcher Brennstoffzellen (Anspruch 7) . Für den Stapel gel- ten die gleichen Vorteile wie für eine einzelne Brennstoffzelle. Es werden höhere Leistungen erzielt.A fuel cell stack comprises at least two such fuel cells (claim 7). The same advantages apply to the stack as to a single fuel cell. Higher performances are achieved.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoff- zellenstapels gelöst (Anspruch 8) . Das Verfahren umfaßt die Schritte: a) ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff wird in das Innere einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels, welche (r) einen oder mehrere Inter- konnektoren mit Mitteln zur Steuerung chemischer Reaktionen umfaßt, eingeleitet, b) der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff wird am Katalysatormaterial zu H2 umgewandelt, c) H2 wird durch eine elektrochemische Reaktion in Strom umgewandelt .The object is further achieved by a method for operating a fuel cell or a fuel cell stack (claim 8). The method comprises the steps: a) a hydrocarbon-containing fuel is injected into the interior of a fuel cell or a fuel cell stack which contains one or more interiors. connectors with means for controlling chemical reactions, initiated, b) the hydrocarbon-containing fuel is converted to H 2 on the catalyst material, c) H 2 is converted into electricity by an electrochemical reaction.
Der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff wird durch die Menge und Art des verwendeten Katalysators zu H2 reformiert. Hohe Katalysatormengen erhöhen die Reformierung zu H2 und tragen dazu bei, daß Temperaturspitzen abgebaut werden. Demnach sollte speziell im kritischen Eintrittsbereich des Anodenraums auf Katalysatormaterial verzichtet werden oder ein Katalysator mit geringer Aktivität verwendet werden.The hydrocarbonaceous fuel is reformed to H 2 by the amount and type of catalyst used. High amounts of catalyst increase the reforming to H 2 and contribute to the fact that temperature peaks are reduced. Accordingly, especially in the critical entry area of the anode compartment, catalyst material should be avoided or a catalyst with low activity should be used.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines AusführungsbeiSpiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert .In the following the invention will be explained on the basis of the description of an exemplary embodiment with reference to the attached drawings.
In Fig. 1 ist der Interkonnektor 1 als modulare Einheit anzusehen. Er wird mit weiteren modularen Einheiten zu einer gemeinsamen Gasverteilereinheit zusammengesetzt und für Brennstoffzellen eingesetzt. Es kann aber auch ein einstückiger Interkonnektor für eine Brennstoffzel- le verwendet werden. Die kanalartige Struktur wird durch die Wände 2 des Interkonnektors 1 begrenzt . Die Wände 2 bieten die Möglichkeit, ein gasdurchlässiges Auflagegitter 3 anzubringen. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um ein an die Wände 2 des Interkonnektors 1 durch ein Schweißverfahren befestigtes Auflagegitter 3. Dessen Gasdurchlässigkeit gewährleistet, daß das Katalysatormaterial 4, im vorliegenden Fall plattenförmiges Nickel, gleichmäßig von oben und unten mit kohlenwasserstoff altigem Brennstoff 5, z. B. Methan, umströmt wird. Durch Seitenwände 6 des Auflage- gitters 3 wird das Katalysatormaterial 4 in Strömungs- richtung des kohlenwasserstoffhaltigen Gases 5 räumlich fixiert. Die Methan-Dampf-Reformierungsreaktion wird eingeleitet, und es entsteht durch die endotherme Reaktion Wasserstoffreiches Gas.In Fig. 1, the interconnector 1 is to be regarded as a modular unit. It is assembled with other modular units to form a common gas distribution unit and used for fuel cells. However, a one-piece interconnector can also be used for a fuel cell. The channel-like structure is delimited by the walls 2 of the interconnector 1. The walls 2 offer the possibility of attaching a gas-permeable support grid 3. In the embodiment it is a support grid 3 attached to the walls 2 of the interconnector 1 by a welding method. B. methane is flowed around. The catalyst material 4 is spatially fixed in the flow direction of the hydrocarbon-containing gas 5 by side walls 6 of the support grid 3. The methane-steam reforming reaction is initiated and the endothermic reaction produces hydrogen-rich gas.
Die Anordnung von modularen Interkonnektoren für eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist in Fig. 2 wiedergegeben. Wasserstoff wird an der Anode 7, die sich unterhalb der drei in der Figur 2 dargestellten Interkonnektoren l befindet, durch eine exotherme Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser umgesetzt. Unter der Kathode 8 sind insgesamt vier Interkonnektoren 1 λ λ angedeutet . Durch geschickte Beaufschlagung der Interkonnektoren mit Katalysatormaterial kann das Wärmemanagement bzw. der Ablauf der Methan-Dampf-Reformierungsreaktion in der Hochtemperaturbrennstoffzelle wie folgt beeinflußt werden :The arrangement of modular interconnectors for a high-temperature fuel cell is shown in FIG. 2. Hydrogen is converted to water at the anode 7, which is located below the three interconnectors 1 shown in FIG. 2, by an exothermic reaction with oxygen. A total of four interconnectors 1 λ λ are indicated below the cathode 8. By skillfully applying catalyst material to the interconnectors, the heat management or the course of the methane-steam reforming reaction in the high-temperature fuel cell can be influenced as follows:
Die Tiefe der Auflagegitter 3 und damit die beaufschlagte Katalysatormenge 4 kann in Strömungsrichtung des methanhaltigen Gases an den Stellen erhöht werden, an denen Temperaturspitzen auftreten oder an denen ge- zielt endotherme Reformierungsreaktionen stattfinden sollen. Das Gas strömt in den jeweiligen Interkonnektoren lλ oberhalb und unterhalb der Katalysatormaterialien 4. Bei einer Betriebstemperatur einer SOFC von 600-700 °C ist mit einer kinetischen Hemmung der Reformierungsreaktion zu rechnen. Es kann an den Stellen gezielt Katalysatormaterial mit hoher Aktivität (Nickel) in die modularen Interkonnektor-Einheiten eingesetzt werden, an denen die Reformierungsreaktionen weiterhin katalysiert werden sollen. Unterkühlte Bereiche hingegen werden mit weniger oder gar keinem Katalysatormaterial 4 beaufschlagt. Denkbar ist auch die Variante, an diesen Stellen einen weniger aktiven Katalysator als Nickel zu verwenden, z. B. Kobalt. The depth of the support grids 3 and thus the amount of catalyst 4 applied can be increased in the direction of flow of the methane-containing gas at the points where temperature peaks occur or at which targets endothermic reforming reactions to take place. The gas flows in the respective interconnectors l λ above and below the catalyst materials 4. At an operating temperature of an SOFC of 600-700 ° C, a kinetic inhibition of the reforming reaction can be expected. Catalyst material with high activity (nickel) can be used in the modular interconnector units where the reforming reactions are to be catalyzed. On the other hand, supercooled areas are subjected to less or no catalyst material 4. It is also conceivable to use a less active catalyst than nickel at these points, e.g. B. Cobalt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Interkonnektor (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend Mittel zur Steuerung chemischer Reaktionen.1. interconnector (1) for a fuel cell, comprising means for controlling chemical reactions.
2. Interkonnektor (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen katalytisch aktiven Bereich.2. Interconnector (1) according to claim 1, characterized by a catalytically active area.
3. Interkonnektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Nickel, Kobalt oder Eisen als3. Interconnector according to one of the preceding claims, characterized by nickel, cobalt or iron as
Katalysator.Catalyst.
4. Interkonnektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein oder mehrere Mittel zur Aufnahme von Katalysatormaterial (4) .4. Interconnector (1) according to one of the preceding claims, comprising one or more means for receiving catalyst material (4).
5. Interkonnektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasdurchlässiges Auflagegitter (3) als Mittel zur Aufnahme von Katalysatormaterial (4) vorge- sehen ist.5. interconnector (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that a gas-permeable support grid (3) is provided as a means for receiving catalyst material (4).
6. Brennstoffzelle, umfassend einen Interkonnektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .6. A fuel cell comprising an interconnector (1) according to one of the preceding claims.
7. Brennstoffzellenstapel, umfassend mindestens zwei Brennstoffzellen nach Anspruch 6. 7. A fuel cell stack comprising at least two fuel cells according to claim 6.
8. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle oder eines BrennstoffZellenstapels, gekennzeichnet durch die Schritte: a) kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff (5) wird in das Innere einer Brennstoffzelle oder eines8. A method for operating a fuel cell or a fuel cell stack, characterized by the steps: a) hydrocarbon-containing fuel (5) is in the interior of a fuel cell or
Brennstoffzellenstapels nach einem der Ansprüche 6 oder 7 eingeleitet, b) der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff (5) wird am Katalysatormaterial (4) zu H2 umgewandelt, c) H2 wird durch eine elektrochemische Reaktion inFuel cell stack according to one of claims 6 or 7, b) the hydrocarbon-containing fuel (5) is converted to H 2 on the catalyst material (4), c) H 2 is converted into an electrochemical reaction
Strom umgewandelt .Electricity converted.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Erdgas als Brennstoff. 9. The method according to any one of the preceding claims with natural gas as a fuel.
EP01987954A 2000-10-21 2001-10-18 Interconnector for fuel cells Withdrawn EP1332525A2 (en)

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