WO2011069633A1 - Stromkollektor für eine brennstoffzelle und verfahren zur beladung des stromkollektors mit katalysatormaterial - Google Patents

Stromkollektor für eine brennstoffzelle und verfahren zur beladung des stromkollektors mit katalysatormaterial Download PDF

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WO2011069633A1
WO2011069633A1 PCT/EP2010/007420 EP2010007420W WO2011069633A1 WO 2011069633 A1 WO2011069633 A1 WO 2011069633A1 EP 2010007420 W EP2010007420 W EP 2010007420W WO 2011069633 A1 WO2011069633 A1 WO 2011069633A1
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WO
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catalyst material
current collector
recess
width
channel
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Application number
PCT/EP2010/007420
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Inventor
Stefan Kieslinger
Original Assignee
Mtu Onsite Energy Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a current collector for a fuel cell, which comprises a substantially flat plate with a top and a bottom, wherein at least the top of the plate has at least one recess in which catalyst material is arranged.
  • the invention also relates to a method for loading such a current collector with catalyst material.
  • a larger number of fuel cells is usually arranged in the form of a stack, the fuel cells each having an anode, a cathode and an electrolyte arranged between the anode and the cathode.
  • the individual fuel cells of the stack are separated from each other by bipolar plates and electrically contacted.
  • each Storm collectors are provided which serve to electrically contact the anodes or cathodes on the one hand and on the other hand pass reaction gases to these.
  • sealing elements are respectively provided which form a lateral seal of the fuel cells and thus of the fuel cell stack against leakage of anode and cathode gas.
  • the electrolyte material typically consists of binary or ternary alkali carbonate melts (for example mixed melts of lithium and potassium carbonate) fixed in a porous matrix.
  • molten carbonate fuel cells typically reach working temperatures of about 650 ° C.
  • a reaction of hydrogen with carbonate ions to water and carbon dioxide takes place with electron release.
  • oxygen reacts with carbon dioxide to form carbonate ions. This heat is released.
  • the alkali carbonate melt used as the electrolyte supplies the carbonate ions required for the anode half reaction and, on the other hand, absorbs the carbonate ions formed in the cathode half reaction.
  • the anode side of the fuel cell is usually a hydrocarbon-containing energy source, such as methane, which may for example come from natural gas or biogas, and fed water from which by so-called internal reforming of the hydrogen required for the anode half reaction is obtained.
  • the anode exhaust gas is mixed with additionally supplied air and then catalytically oxidized to remove any residual components of the fuel gas.
  • the resulting gas mixture now contains carbon dioxide and oxygen, that is, exactly the gases required for the cathode half reaction, so that anode exhaust after fresh air and catalytic oxidation can be initiated directly into the cathode half-cell.
  • the hot exhaust air exiting the cathode outlet is pollutant-free and can be reused thermally.
  • the electrical efficiency of the molten carbonate fuel cell is already 45 to 50% and, using the heat released during the overall process, an overall efficiency of approximately 90% can be achieved.
  • the internal reforming to recover the hydrogen needed for the anode half reaction from a hydrocarbonaceous energy source can be carried out in the fuel cell stack in essentially two ways.
  • HR indirect internal reforming
  • a reforming catalyst material is located within the fuel cell stack.
  • the hydrocarbonaceous energy source to be reformed is first passed through these chambers.
  • the hydrogen-gas-containing reformed energy carrier is then passed into the anode half-cells of the fuel cell stack.
  • DIR direct internal reforming
  • the reformed catalyst is located inside the anode chambers of the fuel cell, so that the hydrogen gas released during the reforming is produced directly at the anode.
  • the anode half cell is bounded on the one hand by the anode and on the other hand by an electrically conductive bipolar plate which separates the anode chamber from the cathode chamber of the cell adjacent to the fuel cell stack.
  • an anode current collector In the anode chamber there is also an anode current collector, which on the one hand must ensure an electrical connection between the anode and the bipolar plate and, on the other hand, a flow path for the fuel gas flowing through the anode half cell.
  • the current collector In a fuel cell with direct internal reforming, the current collector must also take up the reforming catalyst material and ensure effective contacting of the fuel gas with the reformed catalyst material.
  • direct internal reforming different approaches have been developed in the prior art.
  • the applicant's German patent application DE 10358788 A1 describes a porous anode current collector which is coated with a porous layer of a catalyst material.
  • the anode current collector consists of a corrugated or corrugated sheet, so that a structure is formed which on the one hand electrically contacts the anode or the bipolar plate and on the other defines flow paths for the fuel gas flowing through the anode half-cell.
  • the catalyst material is arranged in the wells of the anode current collector plate defined in this way.
  • the wells of the anode current collector can be coated with catalyst material.
  • 5,468,573 describes a corrugated anode current collector with recesses extending in the longitudinal direction, in which numerous prefabricated, cylindrical catalyst pellets are arranged.
  • the introduction of numerous cylindrical catalyst pellets in large-scale current collectors is very expensive.
  • To simplify the loading of the current collector with catalyst pellets the use of a largely automated assembly device is proposed in international patent application WO 2008/141071 A1.
  • Such a system is very costly and prone to failure due to the required precision with which the catalyst pellets must be introduced into the wells.
  • US Pat. No. 6,942,943 proposes to insert the rectilinear wells of a current collector into each elongated depression of the current collector plate, instead of numerous, successively arranged, short cylindrical pellets.
  • the present invention is therefore the technical problem of providing a current collector for a fuel cell, which can be loaded as easily and automatically with catalyst material such that the most effective contact between the catalyst material and the current collector flowing around the fuel gas is guaranteed. Furthermore, a corresponding method is to be provided for loading the current collector with catalyst material. This technical problem is solved by the current collector according to the present patent claim 1 and the method for loading a current collector according to the present patent claim 8.
  • the invention relates to a current collector for a fuel cell, which comprises a substantially flat plate with an upper side and a lower side, wherein at least the upper side of the plate has at least one recess in which catalyst material is arranged, wherein the Stormkollektor invention is characterized characterized in that the catalyst material has a cross section which is substantially adapted to the cross section of the depression.
  • the present invention proposes, the catalyst material so in introduce the recess that the cross section of the introduced catalyst material is adapted to the cross section of the recess.
  • the catalyst material of the invention In contrast to current collector only coated with catalyst material of the prior art, in which the areal dimensions of the catalyst material although the profile of the wells, but the layer thickness of the catalyst material is low, so that the cross section of the wells is not filled, has the catalyst material of the invention a width corresponding to 80 to 100%, preferably 90 to 100% of the width of the well, while the height of the catalyst material in the well 25 to 100%, preferably 40 to 80% of the depth of
  • the "width of the depression” shall be understood to be the inside width of the depression at half the depth.
  • the catalyst material preferably fills the depression almost completely, wherein the access of the fuel gas to the catalyst material must be ensured.
  • the recesses may be located on the top and / or bottom of the current collector. If a flat end face of the current collector is desired in design terms, the current collector can consist of several elements and, for example, have a mesh or grid which just covers the depressions of the upper and lower sides. The net or grid can then be connected, for example by spot welding, to the depressions of the plate defining the depressions.
  • the catalyst material may be located in the recesses of the top and / or the recesses of the bottom. Preferably, catalyst material is disposed only in the recesses on one side of the planar plate of the current collector.
  • the current collector may have openings so that fuel gas flowing along one side of the storm collector may come into contact with the catalyst material located in the recesses on the opposite side of the plate.
  • the at least one recess is formed as a channel, which consists of numerous mutually offset, preferably meandering sections. Due to the staggered channel sections, the catalyst material substantially filling the channel consists of individual mutually offset segments so that, on the one hand, the effective surface area of the catalyst material is increased and, on the other hand, swirling of the fuel gas stream is promoted by the offset of the catalyst material, which results in effective contacting of the catalyst Catalyst favored by the fuel gas. In addition, the risk of poisoning of the catalyst material is reduced. For example, if locally transferring electrolyte from the anode in liquid form to the catalyst material loaded side of the current collector, the liquid electrolyte is absorbed by the catalyst.
  • successive portions of the channel have an offset corresponding to 10 to 70%, preferably 20 to 40% of the width of the recess.
  • the catalyst material located in the wells then also consists of mutually offset elements whose length corresponds to 75 to 100%, preferably 80 to 90% of the length of the respective section of the channel.
  • the width and the depth of the recesses are preferably between 2 and 10 mm, more preferably between 2 and 5 mm, wherein the length of the sections of the channel is preferably between 1 and 12 mm, particularly preferably between 5 and 10 mm.
  • the plate of the current collector according to the invention has numerous recesses, preferably substantially parallel, in the surface.
  • the present invention also relates to a method for loading the above-described current collector with catalyst material, wherein a substantially planar current collector is provided which has at least one three-dimensionally structured surface with at least one recess for receiving catalyst material, a catalyst material through at least one nozzle, whose opening diameter is smaller than the width of the recess, as a flowable medium in such penetrates the recess that the introduced catalyst material can substantially fill the width of the recess and then solidify.
  • the catalyst material is then proposed to pour the catalyst material into the wells to a certain extent, so that the cross section of the catalyst material corresponds at least in width, but preferably also in height, substantially to the cross section of the depression.
  • a catalyst material is used, which is flowable, but quickly solidifies after introduction into the wells, so that there is no danger that introduced into a well catalyst material passes through openings in the current collector on the opposite side of the current collector or closes openings in the current collector plate , which are important for gas exchange between the top and bottom of the current collector.
  • the opening diameter of the nozzle is less than 70%, preferably less than 50%, and more preferably less than 40% of the width of the recess.
  • the recess is formed as a substantially elongated channel in the surface of the current collector.
  • introducing the catalyst material into the channel can then move the nozzle in the longitudinal direction of the channel.
  • the tip of the nozzle dips when filling into the channel, so that the nozzle opening, for example, is located in an area that is below half the channel depth.
  • the nozzle is preferably oriented slightly obliquely relative to the solder to the channel, for example at an angle of 0 ° to 60 °, preferably 10 ° to 45 ° to the perpendicular.
  • the delivery rate of the catalyst material is greater than that which results to produce a strand with the cross section of the nozzle opening, and at most so large that the cross section of the recess is completely filled. The delivery rate is therefore dependent on both the channel dimensions and the speed with which the nozzle is moved along the channel.
  • an applicator head When loading a current collector having a plurality of substantially parallel depressions, an applicator head is preferably used, which has a plurality of nozzles whose distance corresponds to the distance of the recesses of the current collector, wherein catalyst material is introduced into several wells simultaneously.
  • the individual nozzles of the applicator head preferably have a certain elasticity and / or a certain lateral mobility, so that manufacturing tolerances of the current collector plate, for example, to different Intervals between adjacent channels can be compensated by the applicator head.
  • Precision metering needles can be used as nozzles, as are commercially available, for example, from Vieweg GmbH, Kranzberg, Germany.
  • Rigid dispensing needles are usually provided with a stainless steel or plastic capillary.
  • the stainless steel capillary may be uncoated or provided with an inner coating of a fluoroplastic.
  • Flexible dispensing needles may, for example, have a capillary made of polypropylene or of a fluoroplastic.
  • the channel consists of numerous staggered sections.
  • the catalyst material is preferably introduced so that individual, mutually offset catalyst elements are formed whose length substantially corresponds to the length of the respective sections of the channel.
  • a catalyst material that has a low viscosity when pouring from the nozzle due to the shear forces occurring and therefore is quasi-liquid, so that the channel can be filled with catalyst material. After leaving the nozzle no shear forces act on the catalyst material, so that the material solidifies rapidly.
  • defects such as constrictions and internal stresses are induced in the solidifying catalyst material.
  • the catalyst material breaks up at these defects.
  • individual, longitudinally spaced-apart catalyst elements with a length substantially corresponding to the length of the channel sections are formed.
  • the method according to the invention therefore makes it possible to load the current collector with short pellet segments, without having to accept the disadvantages of the prior art when using prefabricated pellets.
  • the inventive method allows in contrast to the prior art, a largely automated and easy introduction of the catalyst elements. Since the catalyst material has a low viscosity when leaving the nozzle, feed speeds of 200-400 mm per second can be achieved, for example, in the case of channels having a width or depth of 2 to 5 mm.
  • the recess is at least partially coated with an adhesive to further improve the maintenance of the catalyst material in the well.
  • adhesives are suitable. As an example may be mentioned based on vinyl acetate and ethylene only polymer dispersions, such as those sold by the company. Wacker Chemie AG, Kunststoff, Germany, under the trade name VINNAPAS ®.
  • the catalyst material is preferably dried at a temperature of 50 to 160 ° C., more preferably at a temperature of 80 to 120 ° C., for a period of 1 to 10 minutes, preferably 2 to 5 minutes .
  • the current collectors with the dried catalyst material can then be conditioned by burning out the catalyst mate- rials so that the catalyst material is already present in the desired porosity.
  • the current collectors with the dried catalyst material are first assembled into a fuel cell stack. The burning out of the catalyst material then takes place only when the fuel cell starts up.
  • the pumpable catalyst material preferably consists of an aqueous suspension comprising 38 to 50 wt .-% of a catalyst powder, 10 to 30 wt .-% of a polyhydric alcohol, preferably glycerol, and 0.5 to 5 wt .-% fiber materials summarized.
  • the catalyst powder is preferably a nickel-based catalyst powder known per se used in internal reforming.
  • the polyhydric alcohol is preferably glycerol.
  • the fiber material may be a mixture of longer and shorter fibers.
  • the catalyst powder consists of particles in which 10% have a diameter of less than 1, 0 ⁇ , 50% have a diameter of less than 4.0 ⁇ and 90% have a diameter of less than 15.5 ⁇ .
  • a suitable reforming catalyst for the preparation of the pumpable catalyst material is described, for example, in international patent application WO 2008/104536, the content of which is hereby incorporated by reference.
  • the viscosity of the pumpable catalyst material is less than 6000 Pa s.
  • the catalyst material has a porosity of preferably 65 to 75%.
  • the catalyst material then has pores, of which preferably 40 to 50% by volume have a diameter of less than 0.01 ⁇ m. point. Less than 1% by volume, preferably less than 0.5% by volume, of the pores have a diameter of more than 5 ⁇ m. The rest of the pores have a diameter of 0.01 to 5 ⁇ .
  • FIG. 1 shows a current collector according to the invention during the loading of catalyst material in the partial excavation.
  • FIG. 2 is a plan view of a section of the current collector of FIG. 1;
  • Fig. 3 is a cross-section along the line III-III of Fig. 2;
  • Fig. 4 is a cross-section along the line IV-IV of Fig. 2;
  • FIG. 5 shows a plan view corresponding to FIG. 2 of the current collector with introduced catalyst material in the dried state
  • Fig. 6 is a schematic representation of the automatic filling of a current collector with catalyst material.
  • a preferred embodiment of the current collector 10 according to the invention for a (not shown) molten carbonate fuel cell is shown in perspective Operaausriss.
  • the current collector 10 has an approximately 0.2 mm thick, substantially flat, nickel-coated stainless steel sheet 11 having a top 12 and a bottom 13, which is structured by sectional folding so that recesses 14 and formed on the bottom recesses 15 on the top become.
  • top and “bottom” refer only to the exemplary representation of Figure 1 and are not intended to represent a limitation of the orientation current collector in a fuel cell stack.
  • the fuel cell stack according to the invention can be arranged in a horizontal stack or in a vertical stack.
  • the recesses 14 are in the installed state on the side facing away from the anode of a fuel cell element side of the sheet 11.
  • the outer side of the bottom portion 16 of the recess 14 thereby forms a bearing surface for the anode, while the outside of the bottom portion 17 of the recess 15, in the illustration 1 thus the upper side of the recess 15 formed by the recess-like structure, the contact surface to the Bipolarblech of the fuel cell element forms.
  • each recess 14 consists of individual longitudinally successive and transversely offset portions 18 - 21, wherein the offset of successive sections is equal to but opposite, so that a substantially longitudinally extending channel 22 is formed.
  • the recess 14 has a width b of about 4 mm and the recess 15 has a width w of about 2 mm.
  • the recesses 14 and 15 alternate in the transverse direction, so that numerous mutually parallel channels 22 in the plane of the sheet 1 1 are formed.
  • Successive sections 18 to 21 of a channel 22 are each offset transversely to the longitudinal direction of the channel 22 by an offset v of approximately 1 mm, which corresponds to 50% of the width of the recess 15.
  • the depth t of the channel 22 is about 2 mm (see Fig. 3) and the length I of the individual successive sections is about 3 mm.
  • openings 23 are formed in the recesses, which allow a gas exchange between the upper side 12 and lower side 13 of the current collector plate 1 1.
  • additional openings in the form of holes 24 can be recessed in the bottom of the recesses 14, as in the example shown, in particular to improve the access of the reformed hydrogen gas to the anode. Since the width of the recesses 14 is greater than the width of the recesses 15, the anode is effectively supported, so that creeping or sinking of the anode in the current collector can be avoided.
  • the holes 24, which which preferably have a diameter between 10 and 80% of the width of the recess 14, more preferably a diameter of 30 to 60% of the width of the recess 14, do not affect the support of the anode.
  • the channel 22 formed by the recesses 14 is filled with catalyst material 25 in such a way that the catalyst material 25 introduced into the channel 22 has a cross-section which is substantially adapted to the cross-section of the recesses.
  • a nozzle tip 26 of a robot-controlled applicator head dips into the channel 22 formed by the depressions 14 for introducing the catalyst material 25.
  • the outer diameter of the nozzle opening 27 of the nozzle tip 26 dipping into the channel is selected such that it corresponds at most to the clear channel width (here 2.45 mm) resulting from the offset of the successive sections 18 to 21.
  • the inner diameter of the nozzle opening 27 in the present case is about 1 mm.
  • the catalyst material 25 flows from the opening 27 nozzle tip 26 and takes by appropriate adjustment of the flow rate of the catalyst material and the longitudinal feed of the nozzle tip along the channel 22 almost the entire cross-section of the recess 14 a.
  • the shear forces acting on the catalyst material 25 as it flows through the delivery line and the nozzle ensure a reduction in the viscosity and a liquefaction of the catalyst material.
  • the still wet catalyst material is shown in plan view of the current collector (see FIG. 2), in cross section along the line III-III of FIG. 2 (see FIG. 3) or in longitudinal section along the Line IV-IV of Fig. 2 (see Fig. 4). It can be seen that the liquid catalyst material has adapted to the shape and the course of the meandering channels 14.
  • the catalyst material 25 poured out of the nozzle tip 26 until it solidifies occupies substantially the entire width of the depression 14 and therefore also adheres to the flanks 28, 29 of the depression 14 delimiting the ribs.
  • the nozzle tip is advanced at a speed of 200 to 400 mm per second in the longitudinal direction of the channel.
  • the adhesion of the already introduced catalyst material on the flanks 28 and 29 of a channel section causes internal stresses or even cracks in the introduced catalyst material, so that the solidified catalyst material consists of individual elements 30, 31 , 32 whose length and width are substantially equal to the length and width of each section.
  • FIG. 5 shows one of the FIG. 2 corresponding to a plan view of the current collector 10 after the drying process.
  • further catalyst elements 34 - 37 are shown in adjacent channel sections.
  • individual, spaced apart catalyst pellets 30 - 37 have formed, whose length and width are each somewhat smaller than the length and width of the channel section associated with the respective catalyst pellet.
  • between the catalyst particles Lets and the flanks of the channel sections in the longitudinal direction of the channel extending clearances 38, 39, as well as between adjacent pellets extending transversely to the longitudinal axis of the channel gap 40.
  • the longitudinal and intermediate spaces 38 - 40 improve the flow around the catalyst material 25 with fuel gas and favor such a more effective reform.
  • FIG. 6 schematically shows a device 41 for automatic filling of a current collector with catalyst material according to the method according to the invention.
  • the current collector 10 which is already known from FIG. 1 and here again shown in partial section, in the recesses 14 of which catalyst material 25 is poured on the top 12 of the current collector 10 by means of a nozzle tip 26.
  • the nozzle tip 26 is mounted on a movable applicator head 42.
  • the movement of the applicator head can be realized in many different ways.
  • a fully movable robotic arm 43 having six degrees of freedom is shown in the schematic representation of FIG. Such complete mobility of the applicator head 42 is generally not required.
  • the applicator head 42 is connected via a delivery line 44 to a storage vessel 45.
  • a feed pump 46 transports the catalyst material from the storage vessel 45 to the applicator head 42.
  • the current collector 10 can be moved relative to a stationary applicator head. In contrast to the prior art known from US Pat. No.
  • the present invention is characterized in that a pumpable catalyst material is used in the present invention, so that an expensive movement of the large-area current collectors when filling with catalyst material is dispensed with, but instead the filling with catalyst material can be realized via a movable applicator head, which is technically much less expensive.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromkollektor (10) für eine Brennstoffzelle, der eine im wesentlichen ebene Platte (11) mit einer Oberseite (12) und einer Unterseite (13) umfasst, wobei zumindest die Oberseite (12) der Platte (11) wenigstens eine Vertiefung (14) aufweist, in welcher Katalysatormaterial (26) angeordnet ist, wobei der Stromkollektor dadurch gekennzeichnet ist, dass das Katalysatormaterial (26) einen an den Querschnitt der Vertiefung (14) im wesentlichen angepassten Querschnitt aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Beladung eines derartigen Stromkollektors mit Katalysatormaterial, wobei man einen im wesentlichen flächigen Stromkollektor (10) bereitstellt, der zumindest eine dreidimensional strukturierte Oberseite (12) mit wenigstens einer Vertiefung zur Aufnahme von Katalysatormaterial (26) aufweist, ein Katalysatormaterial (26) durch wenigstens eine Düse (26), deren Düsenöffnung (27) einen Durchmesser aufweist, der kleiner als die Breite (b) der Vertiefung (14) ist, als fließfähiges Medium derart in die Vertiefung (14) einbringt, dass das eingebrachte Katalysatormaterial (14) die Breite (b) der Vertiefung (14) im wesentlichen ausfüllen und sich anschließend verfestigen kann.

Description

Stromkollektor für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Beladung des Stromkollektors mit Katalysatormaterial
Die Erfindung betrifft einen Stromkollektor für eine Brennstoffzelle, der eine im Wesent- liehen ebene Platte mit einer Oberseite und einer Unterseite umfasst, wobei zumindest die Oberseite der Platte wenigstens eine Vertiefung aufweist, in welcher Katalysatormaterial angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Beladung eines derartigen Stromkollektors mit Katalysatormaterial. Zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Brennstoffzellen wird üblicherweise eine größere Anzahl von Brennstoffzellen in Form eines Stapels angeordnet, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Anode, eine Kathode und einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten aufweisen. Die einzelnen Brennstoffzellen des Stapels sind jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt und elektrisch kontaktiert. An den Anoden und den Kathoden sind jeweils Stormkollektoren vorgesehen, die dazu dienen, die Anoden bzw. Kathoden einerseits elektrisch zu kontaktieren und andererseits Reaktionsgase an diesen vorbeizuführen. Im Randbereich von Anode, Kathode und Elektrolytmatrix sind jeweils Dichtungselemente vorgesehen, welche eine seitliche Abdichtung der Brennstoffzellen und damit des Brennstoffzellenstapels gegen ein Aus- treten von Anoden- und Kathodengas bilden.
Bei einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle besteht das Elektrolytmaterial typischerweise aus binären oder ternären Alkalikarbonatschmelzen (beispielsweise Mischschmelzen aus Lithium- und Kaliumkarbonat), die in einer porösen Matrix fixiert sind. Im Be- trieb erreichen Schmelzkarbonatbrennstoffzellen typischerweise Arbeitstemperaturen von etwa 650°C. Dabei findet auf der Anodenseite eine Reaktion von Wasserstoff mit Karbonationen zu Wasser und Kohlendioxid unter Elektronenfreisetzung statt. Katho- denseitig reagiert Sauerstoff mit Kohlendioxid unter Elektronenaufnahme zu Karbonationen. Dabei wird Wärme frei. Die als Elektrolyt verwendete Alkalikarbonatschmelze liefert einerseits die für die Anodenhalbreaktion benötigten Karbonationen und nimmt andererseits die bei der Kathodenhalbreaktion entstehenden Karbonationen auf. In der Praxis wird der Anodenseite der Brennstoffzelle meist ein kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger, wie beispielsweise Methan, das beispielsweise aus Erdgas oder Biogas stammen kann, sowie Wasser zugeführt, aus welchem durch sogenannte interne Re- formierung der für die Anodenhalbreaktion benötigte Wasserstoff gewonnen wird. Das Anodenabgas wird mit zusätzlich zugeführter Luft gemischt und anschließend zur Beseitigung etwaiger Restbestandteile des Brenngases katalytisch oxidiert. Das entstehende Gasgemisch enthält nun Kohlendioxid und Sauerstoff, also genau die für die Kathodenhalbreaktion benötigten Gase, so dass Anodenabgas nach Frischluftzufuhr und katalytischer Oxidation unmittelbar in die Kathodenhalbzelle eingeleitet werden kann.
Die am Kathodenausgang austretende heiße Abluft ist schadstofffrei und kann ther- misch weiterverwertet werden. Der elektrische Wirkungsgrad der Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle liegt bereits bei 45 bis 50% und unter Nutzung der bei dem Gesamtpro- zess feigesetzten Wärme lässt sich ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 90% erreichen.
Die interne Reformierung zur Gewinnung des für die Anodenhalbreaktion benötigten Wasserstoffs aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Energieträger kann in dem Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen auf zwei Arten durchgeführt werden. Bei der sogenannten indirekten internen Reformierung (HR) werden mehrere separate Kammern, in denen sich ein Reformierkatalysatormaterial befindet, innerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Der zu reformierende kohlenwasserstoffhaltige Energieträger wird zunächst durch diese Kammern geleitet. Der wasserstoffgashaltige reformierte Energieträger wird anschließend in die Anodenhalbzellen des Brennstoffzellenstapels geleitet. Bei der sogenannten direkten internen Reformierung (DIR) befindet sich der reformierte Katalysator innerhalb der Anodenkammern der Brennstoffzelle, so dass das bei der Reformierung freigesetzte Wasserstoffgas unmittelbar an der Anode entsteht.
Die Anodenhalbzelle wird einerseits von der Anode und andererseits von einem elektrisch leitfähigen Bipolarblech begrenzt, welches die Anodenkammer von der Kathodenkammer der im Brennstoffzellenstapel angrenzenden Zelle trennt. In der Anodenkammer befindet sich außerdem ein Anodenstromkollektor, welcher einerseits eine elektrische Verbindung zwischen der Anode und dem Bipolarblech und andererseits einen Strömungsweg für das durch die Anodenhalbzelle strömende Brenngas gewährleisten muss. Bei einer Brennstoffzelle mit direkter interner Reformierung muss der Stromsammler außerdem das Reformierkatalysatormaterial aufnehmen und für eine effektive Kontaktierung des Brenngases mit dem reformierten Katalysatormaterial sor- gen. Für die direkte interne Reformierung wurden dazu im Stand der Technik unterschiedliche Lösungsansätze entwickelt. So beschreibt die deutsche Patentanmeldung DE 10358788 A1 der Anmelderin einen porösen Anodenstromkollektor, der mit einer porösen Schicht eines Katalysatormaterials beschichtet ist. Häufig besteht der Anodenstromkollektor aus einem gerippten oder gewellten Blech, so dass eine Struktur entsteht, die einerseits die Anode bzw. das Bipolarblech elektrisch kontaktiert und andererseits Strömungspfade für das durch die Anodenhalbzelle strömende Brenngas definiert. In den so definierten Vertiefungen des Anodenstromkollektorbleches ist das Katalysatormaterial angeordnet. Beispielsweise können die Vertiefungen des Anoden- stromkollektors mit Katalysatormaterial beschichtet sein. In dem amerikanischen Pa- tent US 5,468,573 wird ein gewellter Anodenstromkollektor mit sich in Längsrichtung erstreckenden Vertiefungen beschrieben, in denen zahlreiche vorgefertigte, zylindrische Katalysatorpellets angeordnet sind. Das Einbringen zahlreicher zylindrischer Katalysatorpellets in großflächige Stromkollektoren ist jedoch sehr aufwendig. Zur Verein- fachung der Beladung des Stromkollektors mit Katalysatorpellets wird in der internationalen Patentanmeldung WO 2008/141071 A1 die Verwendung einer weitgehend automatisierten Bestückungsvorrichtung vorgeschlagen. Eine solche Anlage ist aufgrund der erforderlichen Präzision, mit welcher die Katalysatorpellets in die Vertiefungen eingebracht werden müssen, sehr kostenintensiv und störungsanfällig. Demgegenüber schlägt das Patent US 6,942,943 vor, die geradlinigen Vertiefungen eines Stromkollektors anstelle von zahlreichen, hintereinander angeordneten, kurzen zylindrischen Pellets, einen kontinuierlichen Strang des Katalysatormaterials in jede längliche Vertiefung des Stromkollektorbleches einzubringen. Die in US 6,942,943 beschriebene Lösung ist jedoch mit Nachteilen verbunden. So bietet ein durchgängiger Strang des Katalysatormaterials weniger Kontaktfläche mit dem Brenngas als zahlreiche hintereinander angeordnete zylindrische Pellets. Insbesondere fehlen die Zwischenräume zwischen den aufeinanderfolgenden Pellets, an denen beim Durchströmen des Brenngases Verwirbelungen entstehen, welche dafür sorgen, dass das durch die Anodenhalbzelle strömende Brenngas effektiver mit dem Katalysatormaterial in Kontakt kommt. Außerdem schreibt US 6,942,943 die Verwendung einer teigartigen, sehr hochviskösen Katalysatormasse vor, die über einen Hochdruckstempel und eine Düse als definierter zylindrischer Strang in die Vertiefungen des Stromkollektors gepresst wird. Die Handhabung dieses Katalysatorteigs ist daher auf- wendig und behindert eine schnelle Befüllung des Stromkollektors mit Katalysatormaterial.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, einen Strom kollektor für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, der möglichst einfach und auto- matisiert mit Katalysatormaterial derart beladen werden kann, dass ein möglichst effektiver Kontakt zwischen Katalysatormaterial und dem den Stromkollektor umströmenden Brenngas gewährleistet ist. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zur Beladung des Stromkollektors mit Katalysatormaterial bereitgestellt werden. Gelöst wird dieses technische Problem durch den Stromkollektor gemäß vorliegendem Patentanspruch 1 und das Verfahren zur Beladung eines Stromkollektors gemäß vorliegendem Patentanspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche. Die Erfindung betrifft demnach einen Stromkollektor für eine Brennstoffzelle, der eine im Wesentlichen ebene Platte mit einer Oberseite und einer Unterseite umfasst, wobei zumindest die Oberseite der Platte wenigstens eine Vertiefung aufweist, in welcher Katalysatormaterial angeordnet ist, wobei der erfindungsgemäße Stormkollektor da- durch gekennzeichnet ist, dass das Katalysatormaterial einen an den Querschnitt der Vertiefung im wesentlichen angepassten Querschnitt aufweist. Statt vorgefertigter Pellets mit vorgegebenem Querschnitt, wie sie in US 4,788,100 beschrieben sind, oder zylindrischer Stränge gemäß US 6,942,943, deren Querschnitt durch den Düsenquerschnitt definiert wird, mit dem der Strang in die Vertiefung hineingepresst wird, schlägt die vorliegende Erfindung vor, das Katalysatormaterial so in die Vertiefung einzubringen, dass der Querschnitt des eingebrachten Katalysatormaterials an den Querschnitt der Vertiefung angepasst ist.
Im Gegensatz zu lediglich mit Katalysatormaterial beschichteten Stromkollektoren des Standes der Technik, bei denen die flächigen Abmessungen des Katalysatormaterials zwar dem Profil der Vertiefungen entspricht, die Schichtdicke des Katalysatormaterials aber gering ist, so dass das der Querschnitt der Vertiefungen nicht ausgefüllt wird, weist das erfindungsgemäße Katalysatormaterial eine Breite auf, die 80 bis 100%, bevorzugt 90 bis 100% der Breite der Vertiefung entspricht, während die Höhe des Kata- lysatormaterials in der Vertiefung 25 bis 100%, bevorzugt 40 bis 80% der Tiefe der
Vertiefung beträgt. Bei Vertiefungen, die ein Profil aufweisen, bei dem sich die Breite in Abhängigkeit von der Tiefe ändert, soll als "Breite der Vertiefung" die lichte Weite der Vertiefung auf halber Tiefe verstanden werden. Bevorzugt füllt das Katalysatormaterial die Vertiefung nahezu vollständig aus, wobei der Zugang des Brenngases zum Kataly- satormaterial gewährleistet sein muss.
Die Vertiefungen können sich auf der Ober- und/oder der Unterseite des Stromkollektors befinden. Falls konstruktionstechnisch eine ebene Abschlussfläche des Stromkollektors gewünscht ist, kann der Stromkollektor aus mehreren Elementen bestehen und beispielsweise ein Netz oder Gitter aufweisen, welches die Vertiefungen der Oberbzw, der Unterseite eben abdeckt. Das Netz oder Gitter kann dann beispielsweise durch Punktschweißen mit den die Vertiefungen begrenzenden Rippen der Platte verbunden sein. Das Katalysatormaterial kann sich in den Vertiefungen der Oberseite und/oder den Vertiefungen der Unterseite befinden. Vorzugsweise ist Katalysatormate- rial nur in den Vertiefungen auf einer Seite der ebenen Platte des Stromkollektors angeordnet. Der Stromkollektor kann Öffnungen aufweisen, so dass Brenngas, welches entlang der einen Seite des Stormkollektors strömt, in Kontakt mit dem in den Vertiefungen auf der gegenüberliegenden Seite der Platte befindlichen Katalysatormaterials kommen kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Vertiefung als Kanal ausgebildet, der aus zahlreichen zueinander versetzten, vorzugsweise meanderförmig verlaufenden Abschnitten besteht. Aufgrund der zueinander versetz- ten Kanalabschnitte besteht auch das den Kanal im Wesentlichen ausfüllende Katalysatormaterial aus einzelnen, zueinander versetzten Segmenten, so dass einerseits die wirksame Oberfläche des Katalysatormaterials vergrößert und andererseits durch den Versatz des Katalysatormaterials Verwirbelungen des Brenngasstroms begünstigt werden, was eine effektive Kontaktierung des Katalysators durch das Brenngas begüns- tigt. Außerdem wird die Gefahr einer Vergiftung des Katalysatormaterials verringert. Wenn beispielsweise lokal Elektrolyt von der Anode in flüssiger Form auf die mit Katalysatormaterial beladene Seite des Stromkollektors übertritt, wird der flüssige Elektrolyt vom Katalysator aufgesaugt. Wenn Katalysatormaterial, wie in US 6,942,943 beschrieben, in Form langer Stränge vorliegt, wird stets ein gesamter Strang vergiftet. Beim erfindungsgemäßen Stromkollektor führt ein solcher Störfall nur zu einer Vergiftung von wenigen Katalysatorsegmenten in der Umgebung der Störstelle.
Bevorzugt weisen aufeinanderfolgende Abschnitte des Kanals einen Versatz auf, der 10 bis 70%, vorzugsweise 20 bis 40% der Breite der Vertiefung entspricht. Das in den Vertiefungen befindliche Katalysatormaterial besteht dann ebenfalls aus gegeneinander versetzten Elementen, deren Länge jeweils 75 bis 100%, vorzugsweise 80 bis 90% der Länge des jeweiligen Abschnitts des Kanals entspricht.
Die Breite und die Tiefe der Vertiefungen liegen vorzugsweise zwischen 2 und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 2 und 5 mm, wobei die Länge der Abschnitte des Kanals vorzugsweise zwischen 1 und 12 mm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 mm beträgt.
Die Platte des erfindungsgemäßen Stromkollektors weist gemäß einer besonders be- vorzugten Ausführungsform der Erfindung in der Fläche zahlreiche, vorzugsweise im Wesentlichen parallel verlaufende Vertiefungen auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Beladen des oben beschriebenen Stromkollektors mit Katalysatormaterial, wobei man einen im Wesentli- chen flächigen Stromkollektor bereitstellt, der zumindest eine dreidimensional strukturierte Oberfläche mit wenigstens einer Vertiefung zur Aufnahme von Katalysatormaterial aufweist, ein Katalysatormaterial durch wenigstens eine Düse, deren Öffnungsdurchmesser kleiner als die Breite der Vertiefung ist, als fließfähiges Medium derart in die Vertiefung eindringt, dass das eingebrachte Katalysatormaterial die Breite der Vertiefung im Wesentlichen ausfüllen und sich anschließend verfestigen kann.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, das Katalysatormaterial in die Vertiefungen gewissermaßen einzugießen, so dass der Querschnitt des Katalysatormaterials zumindest in der Breite, aber vorzugsweise auch in der Höhe, im Wesentlichen dem Querschnitt der Vertiefung entspricht. Dazu wird ein Katalysatormaterial verwendet, das fließfähig ist, sich aber nach Einbringen in die Vertiefungen rasch verfestigt, so dass keine Gefahr besteht, dass das in eine Vertiefung eingebrachte Katalysatormaterial beispielsweise durch Öffnungen im Stromkollektor auf die gegenüberliegende Seite des Stromkollektors gelangt oder Öffnungen im Stromkollektorblech verschließt, die für den Gasaustausch zwischen Ober- und Unterseite des Stromkollektors wichtig sind.
Der Öffnungsdurchmesser der Düse beträgt weniger als 70%, bevorzugt weniger als 50% und besonders bevorzugt weniger als 40% der Breite der Vertiefung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vertiefung als im Wesentlichen länglicher Kanal in der Oberfläche des Stromkollektors ausgebildet. Beim Einbringen des Katalysatormaterials in den Kanal kann man dann die Düse in Längsrichtung des Kanals bewegen.
Die Spitze der Düse taucht beim Einfüllen in den Kanal ein, so dass die Düsenöffnung beispielsweise in einem Bereich liegt, der unterhalb der halben Kanaltiefe liegt. Bevorzugt wird die Düse beim Einbringen des Katalysatormaterials leicht schräg gegenüber dem Lot zum Kanal orientiert, beispielsweise in einem Winkel von 0 bis 60°, vorzugsweise von 10 - 45° zum Lot. Die Förderrate des Katalysatormaterials ist dabei größer als diejenige, die sich zur Erzeugung eines Strangs mit dem Querschnitt der Düsenöffnung ergibt, und höchstens so groß, dass der Querschnitt der Vertiefung vollständig ausgefüllt wird. Die Förderrate ist daher sowohl von den Kanalabmessungen, als auch von der Geschwindigkeit abhängig, mit welcher die Düse entlang des Kanals bewegt wird.
Bei Beladung eines Stromkollektors, der mehrere im Wesentlichen parallel verlaufende Vertiefungen aufweist, wird vorzugsweise ein Applikatorkopf verwendet, der mehrere Düsen aufweist, deren Abstand dem Abstand der Vertiefungen des Stromkollektors entspricht, wobei man Katalysatormaterial in mehrere Vertiefungen gleichzeitig einbringt. Die einzelnen Düsen des Applikatorkopfes weisen dabei vorzugsweise eine gewisse Elastizität und/oder eine gewisse seitliche Beweglichkeit auf, so dass Fertigungstoleranzen des Stromkollektorblechs, die beispielsweise zu unterschiedlichen Abständen zwischen benachbarten Kanälen führen, durch den Applikatorkopf ausgeglichen werden können.
Als Düsen können Präzisionsdosiernadeln verwendet werden, wie sie beispielsweise von der Fa. Vieweg GmbH, Kranzberg, Deutschland, kommerziell erhältlich sind. Starre Dosiernadeln sind üblicherweise mit einer Edelstahl- oder Kunststoffkapillare versehen. Die Edelstahlkapillare kann unbeschichtet oder mit einer Innerbeschichtung aus einem Fluorkunststoff versehen sein. Flexible Dosiernadeln können beispielsweise eine Kapillare aus Polypropylen oder aus einem Fluorkunststoff aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Stromkollektors besteht der Kanal aus zahlreichen zueinander versetzten Abschnitten. Das Katalysatormaterial wird dabei vorzugsweise so eingebracht, dass einzelne, gegeneinander versetzte Katalysatorelemente entstehen, deren Länge im Wesentlichen der Länge der jeweiligen Abschnitte des Kanals entspricht. Beispielsweise kann man ein Katalysatormaterial verwenden, das beim Ausgießen aus der Düse aufgrund der auftretenden Scherkräfte eine niedrige Viskosität aufweist und daher quasi flüssig ist, so dass der Kanal mit Katalysatormaterial ausgefüllt werden kann. Nach Verlassen der Düse wirken keine Scherkräfte mehr auf das Katalysatormaterial ein, so dass sich das Material rasch verfestigt. Auf Höhe des Versatzes von einem Abschnitt des Kanals zum angrenzenden Abschnitt werden, beispielsweise durch Einschnürungen und inneren Spannungen, Störstellen in dem sich verfestigenden Katalysatormaterial induziert. Spätestens beim anschließenden Trocknungsprozess bricht das Katalysatormaterial an diesen Störstellen auf. Durch die mit dem Trocknungsprozess einher gehenden geringfügige Schrumpfung des Kataly- satormaterials entstehen so einzelne, in Längsrichtung voneinander beabstandete Katalysatorelemente mit einer Länge, die im wesentlichen der Länge der Kanalabschnitte entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es daher, den Stromkollektor mit kurzen Pelletsegmenten zu beladen, ohne die Nachteile des Standes der Technik bei Verwendung von vorgefertigten Pellets in Kauf nehmen zu müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht im Gegensatz zum Stand der Technik ein weitgehend automatisiertes und einfaches Einbringen der Katalysatorelemente. Da das Katalysatormaterial bei Verlassen der Düse eine geringe Viskosität aufweist, können beispielsweise bei Kanälen mit einer Breite bzw. Tiefe von 2 - 5 mm Vorschubgeschwindigkeiten von 200 - 400 mm pro Sekunde verwirklicht werden.
Je nach Material des Stromkollektorblechs und Zusammensetzung des eingegossenen Katalysatormaterials kann man bereits eine gute Haftung des Katalysatormaterials in den Vertiefungen erreichen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird man aber vor dem Einbringen des Katalysatormaterials die Vertiefung zumindest teilweise mit einem Haftmittel beschichten, um den Halt des Katalysatormaterials in der Vertiefung weiter zu verbessern. Unterschiedlichste kommerziell erhältliche Haftmittel sind dazu geeignet. Exemplarisch seien lediglich Polymerdispersionen auf Basis von Vinylacetat und Ethylen genannt, wie sie von der Fa. Wacker Chemie AG, München, Deutschland, unter der Handelsmarke VINNAPAS® vertrieben werden. Nach dem Einbringen des Katalysatormaterials in die Vertiefung wird das Katalysatormaterial vorzugsweise bei einer Temperatur von 50 bis 160 °C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 80 bis 120°C während eines Zeitraums von 1 bis 10 Minuten, vorzugsweise von 2 bis 5 Minuten, getrocknet. Die Stromkollektoren mit dem getrockneten Katalysatormaterial können anschließend durch Ausbrennen das Katalysatorma- terials so konditioniert werden, dass das Katalysatormaterial bereits mit in der gewünschten Porosität vorliegt. Üblicherweise werden die Stromkollektoren mit dem getrockneten Katalysatormaterial aber zunächst zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengebaut. Das Ausbrennen des Katalysatormaterials erfolgt dann erst beim Anfahren der Brennstoffzelle.
Das pumpbare Katalysatormaterial besteht vorzugsweise aus einer wässrigen Suspension, die 38 bis 50 Gew.-% eines Katalysatorpulvers, 10 bis 30 Gew.-% eines mehrwertigen Alkohols, vorzugsweise Glycerin, und 0,5 bis 5 Gew.-% Fasermaterialien um- fasst. Das Katalysatorpulver ist vorzugsweise ein an sich bekanntes bei einer internen Reformierung verwendetes Katalysatorpulver auf Nickelbasis. Bei dem mehrwertigen Alkohol handelt es sich vorzugsweise um Glycerin. Das Fasermaterial kann ein Gemisch von längeren und kürzeren Fasern sein. Das Katalysatorpulver besteht aus Partikeln, bei denen 10% einen Durchmesser von weniger als 1 ,0 μΐη, 50% einen Durchmesser von weniger al 4,0 μηη und 90% einen Durchmesser von weniger als 15,5 μηι aufweisen. Ein geeigneter Reformierkatalysator zur Herstellung des pumpbaren Katalysatormaterials wird beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 2008/104536 beschrieben, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Vorzugsweise beträgt die Viskosität des pumpbaren Katalysatormaterials weniger als 6000 Pa s.
Glyzerin und Fasermaterialien werden beim Ausbrennen des Katalysatormaterials beseitigt. Im ausgebrannten Zustand weist das Katalysatormaterial eine Porosität von vorzugsweise 65 bis 75 % auf. Das Katalysatormaterial weist dann Poren auf, von denen vorzugsweise 40 bis 50 Vol.% einen Durchmesser von weniger als 0,01 μηι auf- weisen. Weniger als 1 Vol.%, vorzugsweise weniger als 0,5 Vol.% der Poren weisen einen Durchmesser von mehr als 5 μιη auf. Der Rest der Poren hat einen Durchmesser von 0,01 bis 5 μΐη. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Stromkollektor während der Beladung mit Katalysatormaterial im Teilausriss;
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des Stromkollektors der Fig.1 ;
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III von Fig. 2;
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV aus Fig. 2;
Fig. 5 eine Fig. 2 entsprechende Draufsicht auf den Stromkollektor mit eingebrachtem Katalysatormaterial in getrocknetem Zustand; und
Fig. 6 eine schematische Darstellung der automatischen Befüllung eines Stromkollektors mit Katalysatormaterial. In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromkollektors 10 für eine (nicht dargestellte) Schmelzkarbonatbrennstoffzelle im perspektivischen Teilausriss dargestellt. Der Stromkollektor 10 weist ein ca. 0,2 mm dickes, im Wesentlichen ebenes, nickelbeschichtetes Edelstahlblech 11 mit einer Oberseite 12 und einer Unterseite 13 auf, das durch Schnittfaltung so strukturiert ist, dass auf der Oberseite Vertiefungen 14 und auf der Unterseite Vertiefungen 15 gebildet werden. Die Bezeichnungen "Oberseite" bzw. "Unterseite" beziehen sich lediglich auf die exemplarische Darstellung der Figur 1 und sollen keine Einschränkung der Orientierung Stromkollektors in einem Brennstoffzellenstapel darstellen. So kann der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel beispielsweise in einem horizontalen Stapel oder auch in einem verti- kalen Stapel angeordnet werden. Die Vertiefungen 14 befinden sich im eingebauten Zustand auf der von der Anode eines Brennstoffzellenelements abgewandten Seite des Bleches 11. Der Außenseite des Bodenabschnitts 16 der Vertiefung 14 bildet dadurch eine Auflagefläche für die Anode, während die Außenseite des Bodenabschnitts 17 der Vertiefung 15, in der Darstellung der Fig. 1 also die Oberseite der durch die Ver- tiefung 15 gebildeten rippenartigen Struktur, die Kontaktfläche zu dem Bipolarblech des Brennstoffzellenelementes bildet.
Wie man in Fig. 1 erkennt, besteht jede Vertiefung 14 aus einzelnen in Längsrichtung aufeinanderfolgenden und in Querrichtung zueinander versetzten Abschnitten 18 - 21 , wobei der Versatz von aufeinanderfolgenden Abschnitten gleich groß, aber entgegengesetzt ist, so dass ein im Wesentlichen in Längsrichtung verlaufender Kanal 22 gebildet wird. Im dargestellten Beispiel (vgl. insbesondere die Draufsicht der Fig. 2) weist die Vertiefung 14 eine Breite b von ca. 4 mm und die Vertiefung 15 eine Breite w von ca. 2 mm auf. Die Vertiefungen 14 und 15 wechseln sich in Querrichtung ab, so dass zahlreiche parallel zueinander verlaufende Kanäle 22 in der Ebene des Blechs 1 1 gebildet werden. Aufeinanderfolgende Abschnitte 18 bis 21 eines Kanals 22 sind quer zur Längs- richtung des Kanals 22 jeweils um einen Versatz v von ca. 1 mm zueinander versetzt, was 50% der Breite der Vertiefung 15 entspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Tiefe t des Kanals 22 etwa 2 mm (vgl. Fig. 3) und die Länge I der einzelnen aufeinanderfolgenden Abschnitte beträgt ca. 3 mm. Aufgrund der zueinander versetzten Abschnitte 18 bis 21 entstehen Öffnungen 23 in den Vertiefungen, die einen Gas- austausch zwischen Oberseite 12 und Unterseite 13 des Stromkollektorblechs 1 1 ermöglichen. Falls eine weitere Verbesserung des Gasaustausches erforderlich ist, können, wie im dargestellten Beispiel, zusätzliche Öffnungen in Form von Löchern 24 im Boden der Vertiefungen 14 ausgespart werden, um insbesondere den Zugang des reformierten Wasserstoffgases zur Anode zu verbessern. Da die Breite der Vertiefun- gen 14 größer als die Breite der Vertiefungen 15 ist, wird die Anode wirksam abgestützt, so dass ein Kriechen bzw. Einsinken der Anode in den Stromkollektor vermieden werden kann. Die Löcher 24, welche vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 10 und 80% der Breite der Vertiefung 14, besonders bevorzugt einen Durchmesser von 30 bis 60% der Breite der Vertiefung 14 aufweisen, beeinträchtigen die AbStützung der Anode nicht.
Erfindungsgemäß wird der durch die Vertiefungen 14 gebildete Kanal 22 so mit Katalysatormaterial 25 gefüllt, dass das in den Kanal 22 eingebrachte Katalysatormaterial 25 einen an den Querschnitt der Vertiefungen im Wesentlichen angepassten Querschnitt aufweist.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, taucht zum Einbringen des Katalysatormaterials 25 eine, im dargestellten Beispiel konische, Düsenspitze 26 eines (in Fig. 1 nicht dargestellten) robotergesteuerten Applikatorkopfes in den durch die Vertiefungen 14 ge- bildeten Kanal 22 ein. Der Außendurchmesser der in den Kanal eintauchenden Düsenöffnung 27 der Düsenspitze 26 ist so gewählt, dass er höchstens der durch den Versatz der aufeinanderfolgenden Abschnitte 18 bis 21 entstehenden lichten Kanalbreite (hier 2,45 mm) entspricht. Der Innendurchmesser der Düsenöffnung 27 beträgt im vorliegenden Fall etwa 1 mm. Wie man in Fig. 1 erkennt, fließt das Katalysatormaterial 25 aus der Öffnung 27 Düsenspitze 26 und nimmt durch entsprechende Anpassung der Fördermenge des Katalysatormaterials und des Längsvorschubs der Düsenspitze entlang des Kanals 22 nahezu den gesamten Querschnitt der Vertiefung 14 ein. Dabei sorgen die beim Durchströmen der Förderleitung und der Düse auf das Katalysatorma- terial 25 wirkenden Scherkräfte für eine Erniedrigung der Viskosität und eine Verflüssigung des Katalysatormaterials.
In den Figuren 2 bis 4 ist das eingebrachte, noch feuchte Katalysatormaterial in der Draufsicht auf den Stromkollektor (siehe Fig. 2), im Querschnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2 (siehe Fig. 3) bzw. im Längsschnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 2 (siehe Fig. 4). Man erkennt, dass sich das flüssige Katalysatormaterial der Form und dem Verlauf der meanderförmigen Kanäle 14 angepasst hat.
Nach dem Verlassen der Düsenspitze 26 wirken keine Scherkräfte mehr auf das Kata- lysatormaterial 25 ein, so dass sich das Katalysatormaterial rasch verfestigt. Dadurch wird die Gefahr vermieden, dass Katalysatormaterial durch die Öffnungen 23 oder die Löcher 24 auf die Unterseite 13 des Stromkollektorbleches 11 gelangt.
Das aus der Düsenspitze 26 ausgegossene Katalysatormaterial 25 nimmt bis zu seiner Verfestigung im Wesentlichen die gesamte Breite der Vertiefung 14 ein und haftet daher auch an den Flanken 28, 29 der die Vertiefung 14 begrenzenden Rippen. Beim Befüllen eines Kanals 22 wird die Düsenspitze mit einer Geschwindigkeit von 200 bis 400 mm pro Sekunde in Längsrichtung des Kanals vorgeschoben. Beim Übergang von einem der Abschnitte 18 bis 21 zum folgenden Abschnitt bewirkt die Haftung des be- reits eingebrachten Katalysatormaterials an den Flanken 28 und 29 eines Kanalsabschnitts einen innere Spannungen oder sogar Risse im eingebrachten Katalysatormaterial, so dass das verfestigte Katalysatormaterial aus einzelnen Elementen 30, 31 , 32 besteht, deren Länge und Breite im Wesentlichen der Länge und Breite jedes Abschnitts entsprechen. Beim nachfolgenden Trocknungsvorgang kommt es noch zu ei- ner geringfügigen Schrumpfung des Katalysatormaterials.
In Fig. 5 ist eine der Figur 2 entsprechend Draufsicht auf den Stromkollektor 10 nach dem Trocknungsvorgang dargestellt. Neben den bereits in Fig. 2 dargestellten Katalysatorelemente 30, 31 , 32, sind weitere Katalysatorelemente 34 - 37 in benachbarten Kanalabschnitten dargestellt. Man erkennt, dass durch den mit dem Trocknungsvorgang verbunden Schrumpfungsprozess einzelne, voneinander beabstandete Katalysatorpellets 30 - 37 entstanden sind, deren Länge und Breite jeweils etwas geringer als die Länge und Breite des dem jeweiligen Katalysatorpellet zugeordneten Kanalabschnitts sind. Wie man in Fig. 5 erkennt, entstehen somit zwischen den Katalysatorpel- lets und den Flanken der Kanalabschnitte in Längsrichtung des Kanals verlaufende Freiräume 38, 39, sowie zwischen angrenzenden Pellets ein quer zur Längsachse des Kanals verlaufender Zwischenraum 40. Die Längs- und Zwischenräume 38 - 40 verbessern die Umströmung des Katalysatormaterials 25 mit Brenngas und begünsti- gen so eine effektivere Reformierung.
In Figur 6 ist schematisch eine Vorrichtung 41 zürn automatischen Befüllen eines Stromkollektors mit Katalysatormaterial nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Man erkennt wiederum den bereits aus Figur 1 bekannten, hier wieder im Tei- lausriss dargestellten Stromkollektor 10, in dessen Vertiefungen 14 auf der Oberseite 12 des Stromkollektors 10 mittels einer Düsenspitze 26 Katalysatormaterial 25 eingegossen wird. Die Düsenspitze 26 ist an einem beweglichen Applikatorkopf 42 montiert. Die Bewegung des Applikatorkopfes kann auf unterschiedlichste Weise verwirklicht werden. Lediglich exemplarisch ist in der schematischen Darstellung der Figur 5 ein voll beweglicher Roboterarm 43 mit sechs Freiheitsgraden dargestellt. Eine derartige vollständige Beweglichkeit des Applikatorkopfes 42 ist im Regelfall nicht erforderlich. Vielmehr reicht es meist aus, den Applikatorkopf 42 mit einem XYZ-Getriebe nacheinander entlang der einzelnen Kanäle 22 des Stromkollektors 10 zu verschieben. Der Applikatorkopf 42 ist über eine Förderleitung 44 mit einem Vorratsgefäß 45 verbunden. Eine Förderpumpe 46 transportiert das Katalysatormaterial aus dem Vorratsgefäß 45 zum Applikatorkopf 42. Alternativ kann selbstverständlich auch der Stromkollektor 10 relativ zu einem stationären Applikatorkopf bewegt werden. Im Gegensatz zu dem aus US 6,942,943 bekannten Stand der Technik zeichnet sich die vorliegende Erfindung jedoch dadurch aus, dass bei der vorliegenden Erfindung ein pumpbares Katalysator- material verwendet wird, so dass auf eine aufwendige Bewegung der großflächigen Stromkollektoren beim Befüllen mit Katalysatormaterial verzichtet wird, sondern die Befüllung mit Katalysatormaterial über einen beweglichen Applikatorkopf realisiert werden kann, was technisch wesentlich weniger aufwendig ist.

Claims

Patentansprüche
Stromkollektor (10) für eine Brennstoffzelle, der eine im wesentlichen ebene Platte (11 ) mit einer Oberseite (12) und einer Unterseite (13) umfasst, wobei zumindest die Oberseite (12) der Platte (1 1 ) wenigstens eine Vertiefung (14) aufweist, in welcher Katalysatormaterial (26) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Katalysatormaterial (26) einen an den Querschnitt der Vertiefung (14) im wesentlichen angepassten Querschnitt aufweist.
Stromkollektor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Katalysatormaterials (26) in der Vertiefung etwa 80 bis 100%, bevorzugt etwa 90 bis 100% der Breite der Vertiefung (14) und die Höhe des Katalysatormaterials (26) in der Vertiefung etwa 25 bis 100%, bevorzugt etwa 40 bis 80% der Tiefe der Vertiefung (14) beträgt.
Stromkollektor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vertiefung (14) als Kanal (22) ausgebildet ist, der aus zahlreichen, zueinander versetzten Abschnitten (18, 19, 20, 21) besteht.
Stromkollektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Abschnitte (18, 19, 20, 21) einen Versatz (v) aufweisen, der 10 bis 70%, vorzugsweise etwa 20 bis 40% der Breite (b) der Vertiefung (18, 19, 20, 21 ) entspricht.
Stromkollektor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial in der Vertiefung aus gegeneinander versetzten Elementen (30, 31 , 32) besteht, deren Länge jeweils 75 bis 100%, vorzugsweise 80 bis 90% der Länge (I) entsprechenden Abschnitts (18, 19, 20) des Kanals (22) entspricht.
Stromkollektor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) und die Tiefe (t) der Vertiefung (14) zwischen 2 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm betragen, und dass die Länge der Abschnitte (18, 19, 20, 21 ) des Kanals zwischen 1 und 12 mm, bevorzugt zwischen 5 und 10 mm beträgt.
Stromkollektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Platte (11) zahlreiche, vorzugsweise im wesentlichen parallel verlaufende Vertiefungen (14) aufweist.
Verfahren zur Beladung eines Stromkollektors einer Brennstoffzelle mit Katalysatormaterial, insbesondere des Stromkollektors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei man
einen im wesentlichen flächigen Stromkollektor (10) bereitstellt, der zumindest eine dreidimensional strukturierte Oberseite (12) mit wenigstens einer Vertiefung zur Aufnahme von Katalysatormaterial (26) aufweist,
ein Katalysatormaterial (26) durch wenigstens eine Düse (26), deren Düsenöffnung (27) einen Durchmesser aufweist, der kleiner als die Breite (b) der Vertiefung (14) ist, als fließfähiges Medium derart in die Vertiefung (14) einbringt, dass das eingebrachte Katalysatormaterial (14) die Breite (b) der Vertiefung (14) im wesentlichen ausfüllen und sich anschließend verfestigen kann.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Durchmesser der Düsenöffnung (27) weniger als 70%, bevorzugt weniger als 50% und besonders bevorzugt weniger als 40% der Breite (b) der Vertiefung (14) beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Vertiefung (14) als im wesentlichen länglicher Kanal (22) auf der Oberseite (12) des Stromkollektors (10) ausgebildet ist und man beim Einbringen des Katalysatormaterials (26) die Düse (26) in dem Kanal (22) entlang von dessen Längsrichtung bewegt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei mehrere, im wesentlichen parallel verlaufenden Vertiefungen (14) auf der Oberseite (12) des Stromkollektors (10) ausgebildet sind und man mittels eines beweglichen Applikatorkopfes (33), der mehrere Düsen aufweist, deren Abstand dem Abstand der Vertiefungen (14) des Stromkollektors (10) entsprechen, Katalysatormaterial (26) in mehrere Vertiefungen (14) gleichzeitig einbringt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11 , wobei der Kanal (22) aus zahlreichen, zueinander versetzten Abschnitten (18, 19, 20, 21) besteht, wobei beim Einbringen des Katalysatormaterials (26) einzelne gegeneinander versetzte Katalysatorelemente (30, 31 , 32) entstehen, deren Länge im wesentliche der Länge des entsprechenden Abschnitts (18, 19, 20) entspricht.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei man vor dem Einbringen des Katalysatormaterials (26) die Vertiefung (14) zumindest teilweise mit einem Haftmittel beschichtet.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei man das Katalysatormaterial (26) nach dem Einbringen in die Vertiefung (14) bei einer Temperatur von 50 bis 160 °C, vorzugsweise von 80 bis 120 °C in einem Zeitraum von 1 bis 10 Minuten, vorzugsweise von 2 bis 5 Minuten trocknet.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das pumpbare Katalysatormaterial (26) eine wässrige Suspension ist, die 38 bis 50 Gew.% Katalysatorpulver, 10 bis 30 Gew.% eines mehrwertigen Alkohols und 0,5 bis 5 Gew.% Fasermaterialien umfasst.
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