WO1997006572A1

WO1997006572A1 - Schmelzcarbonat-brennstoffzelle

Info

Publication number: WO1997006572A1
Application number: PCT/EP1996/003471
Authority: WO
Inventors: Felix Nitschke; Oliver SÖLLNER; Helmut Rossa; Stefan Peterhans
Original assignee: Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Friedrichshafen Gmbh
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 1997-02-20
Also published as: DE19529203C1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzelle mit einer porösen, von einer Alkalicarbonatschmelze getränkten Matrixschicht, die an einer Seite an eine poröse Anodenschicht und an der anderen Seite an eine poröse Kathodenschicht angrenzt. Die Fläche (5) des Interface Kathode/Matrix ist größer als ihre Projektion auf eine Fläche (2) mit den seitlichen Begrenzungen des Interface Kathode/Matrix ausgebildet.

Description

B E S C H R E I B U N G

Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einer porösen, von einer Alkalicarbonatschmelze getränkten Matrixschicht, die an einer Seite an eine poröse Anodenschicht und an der gegenüberliegenden Seite an eine poröse Kathodenschicht angrenzt.

Eine derartige Brennstoffzelle ist z. B. aus der DE 42 24 290 AI bekannt. Die Alkalicarbonatschmelze, mit der die Matrixschicht getränkt ist, stellt den Elektrolyten der Brennstoffzelle dar und besteht z. B. aus Lithiumcarbonat und Kaliumcarbonat. Die Anodenschicht besteht beispielsweise aus einer porösen Nickelschicht. Die Kathodenschicht ist z. B. eine lithiumdotierte Nickeloxid-Kathode. Bei der bekannten Brennstoffzelle sind die Anode und die Kathode plattenformig ausgebildet. Zwischen der porösen Anode und der porösen Kathode befindet sich der in einer Matrix angeordnete Elektrolyt aus Carbonatschmelze. An der Außenseite der porösen Anode wird Brenngas, z. B. Wasserstoff, und an der Außenseite der Kathode oxidierendes Gas, z. B. ein Sauerstoff/Kohlendioxid-Gemisch, in Kanälen zugeführt. Die einzelnen Komponenten der Brennstoffzelle wie Kathode und Anode werden z. B. durch Sintern aus Gemischen hergestellt, die jeweils Pulver aus Kathoden- bzw. Anodenmaterial und ein Bindemittel enthalten. Die so hergestellten ebenen, gesinterten und/oder "grünen" Komponenten werden gestapelt, verpreßt und vollständig formiert. Hierbei entstehen quaderförmige Brennstoffzellen, bei denen das Interface Kathode/Matrix eine ebene Fläche ist, deren Größe den äußeren Abmessungen der Brennstoffzelle entspricht.

Am Interface Kathode/Matrix tritt eine elektrochemische Polarisation auf. Der hierdurch sich ergebende Polarisationswiderstand wirkt sich ungünstig auf die Leistungsdichte der jeweiligen Brennstoffzelle aus. Um Brennstoffzellen mit einer für den praktischen Einsatz geeigneten Leistung zu erhalten, müssen die Abmessungen der Brennstoffzellen vergrößert werden. Derartige Zellen haben wegen der Polarisation eine geringe Leistungsdichte. Große Brennstoffzellen mit ausgedehnten Flächen am Interface von Kathode/Matrix und von Anode/Matrix lassen sich nur mit sehr hohem Aufwand herstellen. Damit ergeben sich große Kosten für einen Brennstoffzellen-Stack.

Um die Abmessungen der jeweiligen Brennstoffzellen bei gleicher Leistung zu reduzieren, können die Flächen am Interface Kathode/Matrix und Anode/Matrix, z. B. durch gewellte Ausbildung der Flächen, in einem vorgegebenen Brennstoffzellenvolumen vergrößert werden. Unebene Kathoden- und Anodenoberflächen lassen sich im Vergleich zu ebenen Flächen nur mit sehr großem Aufwand herstellen. Außerdem muß der gesamte Aufbau der jeweiligen Brennstoffzelle an einen derartigen Flächenaufbau angepaßt werden, wodurch sich erhebliche Kosten und Probleme ergeben.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Brennstoffzelle, die eine poröse, von einer Carbonatschmelze getränkte Matrixschicht aufweist, dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei relativ kleinen Abmessungen die Leistung der Brennstoffzelle gesteigert werden kann.

Das Problem wird bei einer Brennstoffzelle der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fläche des Interface Kathode/Matrix größer als ihre Projektion längs der Normalen auf eine ebene Fläche mit den seitlichen Begrenzungen des Interface Kathode/Matrix ist. Eine solche ebene Fläche kann auf dem Niveau der stromkollektorseitigen Oberfläche verlaufen, wobei die Rauhigkeit dieser Oberfläche nicht berücksichtigt wird. Wenn die Anode die gleichen äußeren Abmessungen wie die Kathode hat und auf der Matrixseite ebenso wie auf der Stromkollektorseite eben ist, ist die Fläche des Interface Kathode/Matrix auch größer als ihre Projektion auf diese Oberflächen der Anode. Es hat sich gezeigt, daß der Polarisationswiderstand der Kathode einer Brennstoffzelle durch diese Vergrößerung der Kontaktfläche zu der Matrix vermindert werden kann. Durch die Verkleinerung des Polarisationswiderstands wird der Gesamt¬ spannungsabfall zwischen Kathode und Anode reduziert. Die Leistungsdichte wird bei kleinerem Polarisationswiderstand und gleichem Aufbau im Vergleich zu Brennstoffzellen mit ebenen Kathoden- und Anodenflächen erhöht. Es wurde gefunden, daß die elektrochemische Reaktion, bei der das durch die Kathode hindurchtretende oxidierende Gas in elektrische Energie umgesetzt wird, hauptsächlich in einem kleinen

Volumenbereich der Kathode nahe der Kontaktfläche zur Matrix abläuft. Um die Lei¬ stungsdichte gegenüber an sich bekannten Brennstoffzellen mit ebenen, plattenförmigen Elektroden zu erhöhen, muß somit erfindungsgemäß nur die Fläche des Interface Kathode/Matrix gegenüber einer ebenen Fläche mit den äußeren Umrandungen der Kathoden- oder Anodenfläche unter Beibehaltung des übrigen Aufbaus der Brennstoffzelle vergrößert werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die einander zugewandten Flächen von Kathode und Matrix uneben und die an die Matrix angrenzende Anodenfläche eben.

Die einander zugewandten Flächen von Kathode und Matrix sind insbesondere gewellt oder gezackt, wodurch sich ein relativ großer Unterschied zwischen dem Reaktionsbercich an der Kathode und den äußeren Abmessungen, d.h. der äußeren Fläche, der Zelle erreichen läßt.

Vorzugsweise greifen die einander zugewandten Flächen von Kathode und Matrix sägezahnartig ineinander. Bei einem Winkel der Zähne gegenüber einer ebenen Platte von etwa 60° verdoppelt sich der Gasumsatz an der Kathode gegenüber demjenigen bei einer ebenen Kathode. Eine weitere Steigerung der Leistungsdichte ist durch ein Ineinandergreifen der Flächen von Matrix und Kathode in drei Dimensionen erreichbar. Die einander gegenüberliegenden Flächen von Kathode und Matrix können py¬ ramidenförmig oder kegelförmig ausgebildet sein und ineinandergreifen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand zwischen den Spitzen und den Tälern der Erhebungen der Flächen von Kathode und Matrix im Bereich von 1/100 und 1 mm.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennstoffzelle schematisch im Längsschnitt und

Fig. 2 die Kathode der in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzelle von der Stromkollektorseite aus Fig. 3 einen perspektivischen Ausschnitt der sich gegenüberstehenden Oberflächen der Kathode und der Matrix der Brennstoffzelle.

Eine Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle enthält eine poröse Kathode 1 , die an einer Seite mit einer nahezu ebenen Fläche 2 an einen Stromkollektor 3 angrenzt, d. h. mit diesem in elektrischem Kontakt steht. Der Stromkollektor 3 ist als gewelltes Blech ausgebildet, wodurch zwischen der Fläche 2 und den Blechwänden Kanäle 4 gebildet werden, durch die oxidierendes Gas, z. B. ein Sauerstoff/Kohlendioxid-Gemisch, an die Kathode 1 herangeführt wird.

An der anderen Seite grenzt die Kathode 1 mit einer Fläche 5 an eine Fläche 6 einer porösen Matrix 7 an, die zwischen der Kathode 1 und einer porösen, plattenförmigen, ebenen Anode 8 angeordnet ist. Die Fläche 5 ist das Interface Kathode/Matrix der Brennstoffzelle 1. In der Matrix 7 befindet sich Carbonatschmelze. Auf ihrer der Matrix 7 abgewandten Seite steht die Anode 8 mit einem als gewelltes Blech ausgebildeten Stromkollektor 9 in Verbindung, durch den Kanäle 10 zwischen der ebenen Oberfläche der Anode 8 und den Stromkollektorwänden gebildet werden. In den Kanälen 10 wird Brenngas zugeführt. Die Anode 8 hat aufgrund ihres ebenen, plattenförmigen Aufbaus eine ebene Fläche 11, die der Matrix 7 gegenübersteht, die wiederum mit einer entsprechenden ebenen Fläche an die Anode 8 angrenzt.

Die Fläche 5 der Brennstoffzelle ist größer als ihre Projektion längs der Normalen auf eine ebene Fläche mit den äußeren Umrandungen der Fläche 2. Dabei wird unterstellt, daß die ebene Fläche einer Fläche 2 ohne Rauhigkeit entspricht. Unter äußeren Umrandungen sind hierbei die Abmessung der Länge und Breite der Fläche 2 zu verstehen. Die äußeren Abmessungen der Fläche 2 entsprechen im allgemeinen denjenigen der Anode 8. Die Ver¬ größerung der Fläche 5 wird bei der in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzelle durch sägezahnartige Vorsprünge 12 erreicht, die sich über die Breite der Kathode 1 erstrecken. Die Fläche 5 kann auch durch anders ausgebildete Vorsprünge gewellt oder gezackt sein, um die Oberfläche der Kathode 1 auf der Matrixseite größer als die Oberfläche der Anode

8 auf der Matrixseite, welche so groß ist wie die äußeren Abmessungen der Zelle, auszubilden. Das Interface Kathode/Matrix der Brennstoffzelle ist daher eine unebene Fläche 5, während die Fläche 1 1 am Interface Anode/Matrix eben und die Flächen 2 und

10 eben sind.

Es wurde gefunden, daß die elektrochemische Reaktion, bei der das der Kathode 1 zugeführte oxidierende Gas in elektrische Energie umgesetzt wird, hauptsächlich in einem in Fig. 1 mit 13 bezeichneten, zur Kathode 1 gehörenden, kleinen Bereich nahe an der Matrix 7 abläuft. An der Kathode 1 entsteht eine elektrochemische Polarisation, die einen Polarisationswiderstand erzeugt, an dem eine Spannung abfällt. Der

Polarisationswiderstand verursacht einen wesentlichen Teil des Gesamtspannungsabfalls zwischen Kathode 1 und Anode 8. Beispielsweise gehen bei einer Brennstoffzelle mit ebenen, der Matrix zugewandten Flächen an der Kathode und der Anode bei einem Gesamtspannungsabfall von 155 mV etwa 70 mV auf den Polarisationswiderstand zurück. Der Polarisationswiderstand wirkt sich daher wesentlich auf die Leistungsdichte der

Brennstoffzellen aus. Mit der oben beschriebenen, in Fig. 1 dargestellten Ausbildung der Fläche 5, der eine entsprechend ausgebildete Fläche 6 der Matrix 7 gegenübersteht, wird der Polarisationswiderstand der Brennstoffzelle reduziert. Damit ergibt sich bei Zellen, deren Aufbau bis auf die Flächen 5, 6 dem herkömmlichen Aufbau auch in Bezug auf die Abmessungen entsprechen, eine Steigerung der Leistungsdichte.

In Fig. 2 ist die Kathode 1 der Brennstoffzelle von der Seite des Stromkollektors 3 aus dargestellt. Die Kathode 1 hat in ihrer Längsrichtung die Seitenwände 16 und in ihrer Breitenrichtung die Seitenwände 17. Die Länge der Seitenwände 16 ist in Fig. 2 mit 1 und die Breite der Seitenwände 17 mit b bezeichnet. Die dem Stomkollektor 3 zugewandte ebene Fläche 2 der Kathode 1 ist durch die oberen Ränder der Seitenwände 16, 17 begrenzt und hat Rechteckform. Die Fläche 5 des Interface Kathode/Matrix ist größer als ihre Projektion auf die Fläche 2 mit den Abmessungen der Ränder der Seitenwände 16, 17 der Kathode 1. Vorausgesetzt ist hierbei, daß die Seitenwände 16, 17 und die Fläche 2 rechtwinklig zueinander verlaufen. Im Prinzip ist die Fläche 5 größer als eine in Höhe des Interface Kathode/Matrix durch das Interface Kathode/Matrix gelegte, gedachte Fläche, die z.B. parallel zur Fläche 2 bzw. von der Fläche 11 verläuft. Da die Seitenwände 16, 17 rechtwinklig zur Fläche 5 verlaufen, hat diese gedachte Fläche die gleichen seitlichen Abmessungen bzw. Begrenzungen wie die Fläche 5. Aus Gründen der Anschaulichkeit ist deshalb die Fläche 5 als Bezugsfläche für die Projektion angegeben worden. Die Projektionsrichtung ist durch die Normale auf die Fläche 2 bestimmt. Die Normale ist in Fig. 1 mit 15 bezeichnet. Es ist also die Fläche 5 des Interface Kathode/Matrix größer als ihre Projektion auf eine ebene Fläche mit den seitlichen Begrenzugen des Interface Kathode/Matrix.

Die Fig. 3 zeigt einen vergrößerten perspektivischen Ausschnitt der Flächen 5 und 6 mit sägezahnartiger Form. An die Flächen 5 und 6 anliegend befindet sich der Bereich 13, in dem hauptsächlich die elektrochemische Reaktion stattfindet. Es ist ersichtlich, daß der Reaktionsbereich 13 im Vergleich zu demjenigen zwischen ebenen, rechteckigen oder quadratischen Flächen wesentlich größer ist. Wenn der Steigungswinkel, der die Flächen der sägezahnartigen Vorsprünge aufweisen, beispielsweise 60° ist, dann verdoppelt sich der Gasumatz gegenüber einer Anordnung mit ebenen, rechteckigen Flächen, die die Grundflächen der sägezahnartigen Flächen bilden.

Während bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Brennstoffzelle eine Verzahnung nur in einer Dimension vorhanden ist, kann auch eine Verzahnung oder andere Strukturierung in zwei Dimensionen vorgesehen werden, um die Kontaktflächen der Kathode und Matrix noch stärker zu vergrößern. Damit ergeben sich auch noch größere Reaktionsbereiche, wodurch sich die Leistungsdichte weiter steigern läßt. Als günstig für die Verzahnung oder Strukturierung der Flächen 5 und 6 hat sich eine Höhe zwischen den Tälern 14 und den Spitzen 15 im Bereich von 1/100 bis 1 mm gezeigt. Bei einer solchen Dimensionierung wird je nach Art der Gaszuführung eine ausreichende Gasversorgung der vergrößerten Reaktionszone gewährleistet.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Brennstoffzelle mit einer porösen, von einer Alkalicarbonatschmelze getränkten Matrixschicht, die an einer Seite an eine poröse Anodenschicht und an der anderen Seite an eine poröse Kathodenschicht angrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (5) des Interface Kathode/Matrix größer als ihre Projektion längs der Normalen (15) auf eine ebene Fläche (2) mit den seitlichen Begrenzungen des Interface Kathode/Matrix ist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Flächen (5, 6) von Kathode (1) und Matrix (7) uneben und die einander zugewandten Flächen von Anode (8) und Matrix (7) eben sind.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Flächen (5, 6) von Kathode (1) und Matrix (7) gewellt oder gezackt sind.

4. Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Flächen (5, 6) von Kathode (1) und Anode (7) sägezahnartig ineinandergreifen.

5. Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Flächen von Kathode und Anode Pyramiden- oder kegelförmig ineinandergreifen.

6. Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Tälern ( 14) und den Spitzen ( 15) der

Erhebungen der Flächen von Kathode (1) und Matrix (7) im Bereich von 1/100 bis 1 mm liegt.