WO2002033771A2 - Interkonnektor für brennstoffzellen - Google Patents

Interkonnektor für brennstoffzellen Download PDF

Info

Publication number
WO2002033771A2
WO2002033771A2 PCT/DE2001/003928 DE0103928W WO0233771A2 WO 2002033771 A2 WO2002033771 A2 WO 2002033771A2 DE 0103928 W DE0103928 W DE 0103928W WO 0233771 A2 WO0233771 A2 WO 0233771A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
interconnector
fuel cell
fuel
methane
catalyst material
Prior art date
Application number
PCT/DE2001/003928
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2002033771A3 (de
Inventor
Frank Thom
Ernst Riensche
Original Assignee
Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Jülich GmbH filed Critical Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority to EP01987954A priority Critical patent/EP1332525A2/de
Priority to AU2002223015A priority patent/AU2002223015A1/en
Publication of WO2002033771A2 publication Critical patent/WO2002033771A2/de
Publication of WO2002033771A3 publication Critical patent/WO2002033771A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an interconnector for fuel cells.
  • 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.
  • SOFC high-temperature fuel cell
  • PEM PEM fuel cell
  • the operating temperature of a high-temperature fuel cell is up to 1000 ° C.
  • High-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
  • 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.
  • 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 ,
  • 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
  • anode substrate concept is known from DE 195 19 847 C1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • electrochemical reactions can also be controlled by the interconnector.
  • the interconnector advantageously comprises a catalytically active region (claim 2).
  • the interconnector is specifically charged with catalyst material in its active areas.
  • catalyst material in its active areas.
  • 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.
  • 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.
  • the interconnector 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 2 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 ⁇ ⁇ are indicated below the cathode 8.
  • 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 ⁇ above and below the catalyst materials 4.
  • Catalyst material with high activity nickel
  • 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.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

Ein Interkonnektor (1') für eine Brennstoffzelle, derwelche Mittel (4) umfasst zur Steuerung chemischer Reaktionen, beispielsweise der Methan-Dampf-Reformierungsreaktion. Der Interkonnektor kann zur Aufnahme von Katalysatormaterial aufweisen. Durch eine gezielte chemische Reaktionen, z. B. die Methan-Dampf-Reformierungs-reaktion, am Interkonnektor katalysiert werden. Temperaturspitzen können abgebaut werden, und Lebendsdauer sowie Wirkungsgrad der Brennstoffzelle werden erhöht.

Description

B e s c h r e i b u n g
Interkonnektor für Brennstoffzellen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Interkonnektor für Brennstoffzellen.
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.
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 .
Die Betriebstemperatur einer Hochtemperaturbrennstoff- zelle beträgt bis zu 1000 °C. An der Kathode einer
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 aus
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.
Interkonnektoren besitzen neben den elektrischen und mechanischen Eigenschaften regelmäßig auch Gasvertei- lerstrukturen. Bei der aus der Druckschrift
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.
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 .
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 kurzen
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.
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.
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 .
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 .
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.
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) .
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.
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.
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.
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 .
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.
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.
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 .
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.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines AusführungsbeiSpiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert .
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.
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 :
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.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Interkonnektor (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend Mittel zur Steuerung chemischer Reaktionen.
2. Interkonnektor (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen katalytisch aktiven Bereich.
3. Interkonnektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Nickel, Kobalt oder Eisen als
Katalysator.
4. Interkonnektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein oder mehrere Mittel zur Aufnahme von Katalysatormaterial (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.
6. Brennstoffzelle, umfassend einen Interkonnektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
7. Brennstoffzellenstapel, umfassend mindestens zwei Brennstoffzellen nach Anspruch 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 eines
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 in
Strom umgewandelt .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Erdgas als Brennstoff.
PCT/DE2001/003928 2000-10-21 2001-10-18 Interkonnektor für brennstoffzellen WO2002033771A2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP01987954A EP1332525A2 (de) 2000-10-21 2001-10-18 Interkonnektor für brennstoffzellen
AU2002223015A AU2002223015A1 (en) 2000-10-21 2001-10-18 Interconnector for fuel cells

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10052225.4 2000-10-21
DE10052225A DE10052225A1 (de) 2000-10-21 2000-10-21 Interkonnektor für Brennstoffzellen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2002033771A2 true WO2002033771A2 (de) 2002-04-25
WO2002033771A3 WO2002033771A3 (de) 2002-12-27

Family

ID=7660558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2001/003928 WO2002033771A2 (de) 2000-10-21 2001-10-18 Interkonnektor für brennstoffzellen

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP1332525A2 (de)
AU (1) AU2002223015A1 (de)
DE (1) DE10052225A1 (de)
WO (1) WO2002033771A2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004021488A1 (de) * 2002-08-24 2004-03-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellen-stack
EP1617501A2 (de) * 2004-07-13 2006-01-18 Ford Motor Company Steuerung der kinetischen Geschwindigkeiten bei der internen Reformierung in Festoxidbrennstoffzellen

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0173904A1 (de) * 1984-08-20 1986-03-12 Energy Research Corporation Brennstoffzelle mit Katalysator
US5496655A (en) * 1994-10-12 1996-03-05 Lockheed Idaho Technologies Company Catalytic bipolar interconnection plate for use in a fuel cell
DE19519847C1 (de) * 1995-05-31 1997-01-23 Forschungszentrum Juelich Gmbh Anodensubstrat für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19757550C2 (de) * 1997-12-23 1999-12-30 Mtu Friedrichshafen Gmbh Brennstoffzellenanordnung mit einem Reformierkatalysator und Verfahren zur ihrer Herstellung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0173904A1 (de) * 1984-08-20 1986-03-12 Energy Research Corporation Brennstoffzelle mit Katalysator
US5496655A (en) * 1994-10-12 1996-03-05 Lockheed Idaho Technologies Company Catalytic bipolar interconnection plate for use in a fuel cell
DE19519847C1 (de) * 1995-05-31 1997-01-23 Forschungszentrum Juelich Gmbh Anodensubstrat für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1332525A2 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004021488A1 (de) * 2002-08-24 2004-03-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellen-stack
US7348093B2 (en) 2002-08-24 2008-03-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellscaft Fuel cell stack
EP1617501A2 (de) * 2004-07-13 2006-01-18 Ford Motor Company Steuerung der kinetischen Geschwindigkeiten bei der internen Reformierung in Festoxidbrennstoffzellen
EP1617501A3 (de) * 2004-07-13 2008-06-11 Ford Motor Company Steuerung der kinetischen Geschwindigkeiten bei der internen Reformierung in Festoxidbrennstoffzellen
US7638226B2 (en) 2004-07-13 2009-12-29 Ford Motor Company Apparatus and method for controlling kinetic rates for internal reforming of fuel in solid oxide fuel cells

Also Published As

Publication number Publication date
EP1332525A2 (de) 2003-08-06
WO2002033771A3 (de) 2002-12-27
DE10052225A1 (de) 2002-06-06
AU2002223015A1 (en) 2002-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1121724B1 (de) Festoxidbrennstoffzelle betrieben mit brennstoffüberschuss
DE19921816C1 (de) Brennstoffzellen-System und Brennstoffzelle für derartiges System
DE112017005364T5 (de) Regenerativer festoxidstapel
DE112005000978B4 (de) Hybridbipolarplattenanordnung und Vorrichtungen, die diese enthalten sowie deren Verwendung
DE60214950T2 (de) Miniaturisierte Feststoffoxyd-Brennstoffzelle
EP3370290A1 (de) Zellverbundkörper einer verbinder-elektrochemischen reaktionseinheit, zellstapel für elektrochemische reaktion und herstellungsverfahren für zellverbundkörper einer verbinder-elektrochemischen reaktionseinheit
EP0840947A1 (de) Hochtemperatur-brennstoffzelle und hochtemperatur-brennstoffzellenstapel mit verbundleiterplatten, die eine kontaktschicht aus chromspinell tragen
DE19941724A1 (de) Brennstoffzelle betrieben mit Brennstoffüberschuß
DE102008015350A1 (de) Modular aufgebauter Brennstoffzellenstapel
EP1224705B1 (de) Brennstoffzelle mit internem reformer und verfahren zu deren betrieb
DE102007061061A1 (de) Brennstoffzellenstapel
EP1332525A2 (de) Interkonnektor für brennstoffzellen
EP1370350A1 (de) Reaktor mit gleichmässiger verteilung von betriebsmitteln
EP2837053B1 (de) Schwefeltolerantes hochtemperatur-brennstoffzellensystem mit internem wassergas-shift-katalysator
EP2160780B1 (de) Brennstoffzelle mit katalysator und deren verwendung
DE112020006845T5 (de) Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, Verfahren zur Herstellung derselben und Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie
DE602004006636T2 (de) Hilfskrafteinheit von festoxidbrennstoffzellen
US20200020957A1 (en) Functionalized, porous gas conduction part for electrochemical module
DE102019206578A1 (de) Brennstoffzellenstapel mit Heizelement, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug
DE112019007178T5 (de) Elektrochemischer Reaktionszellenstapel
WO1999057778A2 (de) Verfahren zur benetzung wenigstens einer der oberflächen eines elektrolyten in einer brennstoffzelle
DE102020118737A1 (de) Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten
DE102017220554A1 (de) Kohlenstoff geträgerter Edelmetallkatalysator, Elektrodenstruktur, Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem
DE102017100738A1 (de) Brennstoffzellenstapel mit erhöhter Beständigkeit gegenüber Spannungsumkehr sowie Brennstoffzellensystem und Fahrzeug mit einem solchen
DE102016120535A1 (de) Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AU CA US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
AK Designated states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AU CA US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2001987954

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2001987954

Country of ref document: EP