DE69028458T2 - Separatorplatte für Anwendung in einer Gas-Brennstoffzelle, enthaltend einen Satz von Elektroden, und auch eine Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Trennplatte zum Stapeln von Brenn stoffzellen des Typs aus geschmolzenem Karbonat, die mit Öffnungen zum Brennstoffeinlaß und zum Brennstoffauslaß sowie zum Ein- und Auslaß eines Oxidationsmittels versehen sind, und außerdem einen Stapel. von Brennstoffzellen vom Typ aus geschmolzenem Karbonat, die die Trennplatten enthalten.
• Eine solche Trennplatte ist in der US-Patentschrift 4,604,331 offenbart, die einen Separator beschreibt, der aus einer flachen Platte mit zwei Dichtflanschen besteht, die an entgegengesetzten Seiten angeordnet, nach oben zurück und zueinander gebogen sind und an den beiden Seiten der Platte, die ebenfalls einander entgegengesetzt angeordnet sind, mit ähnlichen Flanschen versehen sind, die jedoch nach unten gebogen sind. Jeder Dichtflansch besteht aus einer flachen Wand, die in einigem Abstand von der Platte praktisch parallel dazu verläuft, sowie aus zwei Seitenwänden, die wie eine Harrtionika gefaltet sind und von denen eine die flache Wand mit der Platte verbindet und die andere in geringem Abstand von der Platte endet, wobei die Seitenwände dem Dichtflansch eine federartige Zusammendrückbarkeit in einer allgemein zu der Ebene der Platte senkrechten Richtung verleihen. Vier Eckelemente verschließen die Enden der Dichtflansche.
• Die US-Patentschrift 4,514,475 offenbart einen Separator, der aus einem flachen, rechteckigen, gasundurchlässigen Teil besteht, das zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellen angeordnet ist, wobei zwei entgegengesetzte Seiten über eine Seite der Platte zurückgebogen sind, um zwei Dichtflansche zu bilden, wobei die beiden anderen Seiten über die entgegengesetzte Seite der Platte zurückgefalzt sind, um zwei weitere Dichtflansche zu bilden, und wobei jeder Dichtflansch zusammen mit der Platte einen Kanal bildet, in dem ein federartiges, komprimierbares Bündel aus dünnen Metallschichten angeordnet ist. Die beiden ersten Dichtflansche grenzen an die Elektrolytmatrix einer der Zellen an, um eine gasundurchlässige Dichtung zwischen einer Elektrode einer Zelle und einer gerippten Platte für das Reaktantengas zu bilden. Der zweite Dichtflansch grenzt an die Elektrolytmatrix der anderen Zelle an, um eine gasundurchlässige Dichtung zwischen Elektroden der anderen Zelle und den anderen gerippten Kanälen für das Reaktantengas zu bilden. Die Dichtflansche stehen mit komprimierbaren, damit verbundenen Stapeln aus Blechen, in Verbindung, um zwischen der Platte und den Elektrolytmatrizen einen Abstand zu halten, wobei der Abstand zwischen den Platten verstellt werden kann.
• Ein wichtiges Merkmal der Separatoren nach diesen beiden Patentschriften liegt darin, daß in beiden Fällen die Prozeßgase für die verschiedenen Brennstoffzellen eines Stapels extern über Gaskammern zugeführt werden müssen, die zusammen einander entgegengesetzt angeordnet sind, und zwar für den Brennstoff in einer Richtung und für den Strom des Oxidationsmittels in einer Richtung senkrecht dazu.
• Allgemeiner ist bekannt, daß Brennstoffzellen durch die elek trochemische Verbrennung von Sauerstoff Energie erzeugen. Diese Verbrennungsart besitzt den Vorteil der direkten Umwandlung in Elektrizität, dies zusätzlich zur Wärme als Folge des internen Widerstandes in der (Brennstoff-)Zelle. Im Ergebnis lassen sich Verfahrenswirkungsgrade von 60% und mehr erhalten. In einer Brennstoffzelle ist zwar Wasserstoff die Brennstoffkomponente, als Hauptkomponenten können allerdings u.a. auch Naturgas oder Steinkohlengas verwendet werden.
• Die Verwendung von Naturgas oder Steinkohlengas erfordert die Umwandlung in ein wasserstoffreiches Gasgemisch durch "Reformierungs-" oder "chemische Verschiebungs-"Reaktionen. Diese chemischen Reaktionen laufen endotherm ab und können katalytisch bei der Arbeitstemperatur von Brennstoffzellensystemen vom Typ aus geschmolzenem Karbonat im normalen Bereich von 600 bis 700ºC verschoben werden.
• Die Brennstoffzelle vom Typ aus geschmolzenem Karbonat besteht im Prinzip aus einer plattenartigen Anode, einer einen Elektrolyten enthaltenden Matrix und einer Kathode. Diese sogenannte aktive Anordnung der Brennstoffzelle ist an jeder Seite zwischen einer oder mehreren Metallplatten eingeschlossen, die Stromleiter- und/oder Trennplatten genannt werden und eine Anzahl von Funktionen wahrnehmen muß, so das Stützen der plattenartigen Elektroden, das Führen der Prozeßgase über die Elektroden, die gleichmäßige Verteilung der Prozeßgase über die Elektrodenoberfläche, das Leiten von Elektronen zwischen den getrennten Brennstoffzellen und Trennen des Brennstoffgases von dem Oxidationsgas zwischen der Anode und der Kathode von angrenzenden Brennstoffzellen. Fig. 1 zeigt ein grundlegendes Diagramm der oben beschriebenen Brennstoffzelle vom Typ aus geschmolzenem Karbonat.
• In dieser Figur gibt 1 die Matrix an, z.B. ein inertes Material aus Lithiumaluminat, allgemein mit einer Dicke von 0,5 bis 1 mm, das mit einem Gemisch aus Alkalikarbonaten imprägniert ist. 2 ist die Kathode, z.B. Nickeloxid, allgemein mit einer Dicke von 0,4 bis 0,8 mm, und 3 stellt die Anode dar, z.B. Nikkelchrom, allgemein mit einer Dicke von 0,6 bis 0,8 mm. Die plattenartige Kathode aus spröder Keramik wird von einem Kathodenstromkollektor 4 gestützt, der auch den Oxidationsgasstrom über die Kathode verteilt und die Elektronen von der unten angeordneten Anode der Zelle über die Gastrennplatte zur Kathode 2 leitet.
• Die Anode 3 wird von dem Anodenstromkollektor 5 gestützt, der auch den Brennstoffgasstrom über die Anode verteilt und die Elektronen von der Anode über die Trennplatte zur Kathode der darüberliegenden Brennstoffzelle leitet.
• Von dem anodenseitigen Stromkollektor wird zur Anode Wasserstoff zugeführt, und H&sub2;O + CO&sub2; werden abgezogen.
• CO&sub3;²&supmin; wird durch die Elektrolytmatrix transportiert während an der Kathode die Reaktion 1/2 O&sub2; + CO&sub2; + 2e abläuft, die CO&sub3;²&supmin; ergibt. Ein Gemisch aus O&sub2; und CO&sub2;, das wiederum teilweise von der Anodenseite stammen kann, wird von dem Stromkollektor an der Kathodenseite der Kathode zugeführt. Fig. 2 zeigt im Diagramm eine mögliche praktische Ausführungsform der Zellenkonstruktion einer oben beschriebenen Brennstoffzelle vom Typ aus geschmolzenem Karbonat mit jeweils einer Halbzelle an beiden Seiten, die aneinandergrenzen. In dieser Figur gibt 1 die Matrix an, 2 ist die Kathode, 3 ist die Anode, 4 ist der Kathodenstromkollektor in Form einer gewellten Platte, 5 ist der Anodenstromkollektor; 6 ist die Trennplatte zur Anodenseite der unten liegenden Brennstoffzelle und 7 ist die Trennplatte zur Kathodenseite der oben liegenden Brennstoffzelle. Bei 8 liegt Brennstoff vor und bei 9 ein Oxidationsmittel. Demnach ist eine Zelle durch die Elemente 1 einschließlich 5 plus Karbonat gebildet. Die strömung des Oxidationsgases und des Brennstoffgases über die Kathode bzw. über die Anode findet senkrecht zur Ebene der Zeichnung von Fig. 2 statt.
• Über der Trennplatte 7 ist die oben liegende, angrenzende Halbzelle gezeigt, die den Kathodenstromkollektor 10, die Kathode 11 und die Matrix 12 aufweist. Ebenso ist die unten liegende, angrenzende Halbzelle an der Unterseite der Trennplatte 6 gezeigt, die den Anodenstromkollektor 13, die Anode 14 und die Matrix 15 aufweist.
• Bei bekannten Zellen stellt die Zusammenschaltung von Zellen ein Problem dar. Dies liegt daran, daß das Volumen "anscheinend" abnimmt, wenn das Karbonatsalz in der porösen Matrix schmilzt und in der Elektrode aufgenommen wird. Sind die Elektroden durch feste Schienen um den Außenumfang miteinander verbunden, dann entstehen zwischen den plattenartigen Bauteilen als Ergebnis des Schrumpfens der Elektroden Lücken, was zu einer Minderung der Leistungsfähigkeit der Zelle führt, den Wirkungsgrad senkt oder tatsächlich den Zellenbetrieb völlig aufhebt.
• Nun hat man eine Vorrichtung des im Oberbegriff beschriebenen Typs gefunden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gasdurchgänge für den Gaseinlaß und Gasauslaß in entgegengesetzt angeordneten Seiten der Trennplatte angeordnet sind. Als Ergebnis ergeben sich keine Dichtungsprobleme durch schmelzendes Karbonat sowie durch die Aufnahme des Karbonats in der Matrix und den porösen Elektroden. Außerdem erhält man über die geeignete Wahl des Profils für den Gasdurchgang eine elastische Struktur, die die erforderliche Druckkraft aufweist, um das Schrumpfen der Elektroden während des Betriebslebens auszugleichen, so daß der innere Widerstand in der Zelle nicht als Ergebnis der Bildung von Lücken zunimmt und die Leistungsfähigkeit der Zelle aufrechterhalten wird.
• Ein besonderer Gesichtspunkt dieser Entdeckung liegt in der Kombination des oben beschriebenen federbelasteten Gasdurchgangs (oder des Übertragungsbereichs) der Trennplatte mit einer rahmenartigen Feder um die aktive Zellenanordnung. Diese "Rahmen-"feder liefert die erforderliche Kraft zum Abdichten der Prozeßgase in der Brennstoffzelle gegen die Umwelt. Diese Rahmenfeder kann auch eingebaute Komponenten zum Befördern der Prozeßgase aufweisen.
• Fig. 3 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform einer solchen Trennplatte, wobei 16 die Brennstoffeinlaßrohre und 17 die Einlaßrohre für das Oxidationsmittel und 18 und 19 die entsprechenden Auslaßrohre zeigen, während 5 einen gewellten plattenartigen Stromkollektor zeigt. Die Stromkollektorplatte ist selbstverständlich nicht an diese Ausführungsform gebunden.
• Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch die Gasdurchgangsöffnung, wobei B der federbelastete Gasdurchgangsabschnitt ist und die Stützfeder um die aktive Anordnung im Abschnitt C angeordnet ist.
• In dieser Figur zeigen 7 eine Unterteilungsplatte oder Trennplatte, 20 und 21 den Anodengasbehälter bzw. den Kathodengasbehälter und 4 und 5 die Stomkollektoren, wobei 2 die Kathode und 3 die Anode ist, während der Brennstoffeinlaß mit 16 und die Federn um die aktive Zellenanordnung mit 22 angegeben sind. Die Funktion dieser Federn liegt darin, die erforderliche Dichtkraft um die Anordnung im zentralen Abschnitt der Zelle vorzusehen. Eine geeignete Ausführungsform des federbelasteten Elements um die aktive Zellenanordnung weist die Form eines Rahmens auf; eine mögliche Ausführungsform ist dazu in Fig. 5 gezeigt, wobei die Verbindungen beispielweise durch Punktschweißung oder eine Lötverbindung hergestellt werden können, und wobei der Rahmen mit speziellen Einrichtungen zum Befördern der Prozeßströmungen versehen ist. Erfindungsgemäß wird die Federwirkung des Gasdurchgangs durch eine geeignete Gestalt des Ausflußprofils erreicht.
• Die Federkennlinie der Feder unter der aktiven Anordnung ist derart dimensioniert, daß sie zur Kompression des oben erläuterten Gasduchgangs paßt und eine wirksame Abdichtung der Prozeßgase gegenüber der Umwelt erreicht, indem die dazu erforderliche Kraft an die Matrix angelegt wird.
• Fig. 5 zeigt an den Punkten 25 eine Punktschweißung zur Befestigung des Gasbehälters (der natürlich etwas anders angeordnet sein kann), bei 23 eine Biegelinie für eine Strömungsbeförderungseinrichtung 26 und bei 24 den federbelasteten Bereich. An der Seitenkante ist eine mögliche Ausführungsform der Federkonstruktion an der Anodenseite sowie der Federkonstruktion an der Kathodenseite gezeigt.
• Fig. 6 und 7 zeigen die unbelastete und die belastete Höhe, also nach dem Einbau der Trennplatte.
• Nun hat man auch eine Stapelung von Brennstoffzellen vom Typ aus geschmolzenem Karbonat gefunden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zellen durch die Trennplatten voneinander getrennt sind. Der Vorteil liegt darin, daß ein solcher Stapel aus Brennstoffzellen mit einer Schiene für eine Federkonstruktion um die aktive Zellenanordnung versehen ist.
• Brennstoffzellen vom Typ aus geschmolzenem Karbonat liefern Elektrizität mit einer relativ hohen Stromdichte von beispielsweise 150 bis 160 A/cm², aber mit einer relativ niedrigen Ar beitsspannung oder Zellenspannung von etwa 0,7 - 0,8 V. Die Brennstoffzellen dieses Typs werden zur praktischen Verwendung gestapelt, z.B. 100 Brennstoffzellen (in Brennstoffzellenstapeln). Unter diesen Umständen liegt die Funktion der Unterteilungs- oder Trennplatten darin, die angrenzenden Anoden und Kathoden zu trennen, die Anodengasströmung (Brennstoff) und die Kathodengasströmung (Oxidationsmittel) zu trennen, die beiden Gasströmungen gleichmäßig über die Elektroden zu verteilen und Elektronen zwischen der Anode und der angrenzenden Kathode zu leiten.
• Fig. 8 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung, wobei 1 die Matrix angibt, 2 die Kathode, 3 die Anode, 7

Claims (3)

1. Brennstoffzelle vom Typ aus geschmolzenem Karbonat, welche Trennplatten (7) aufweist, mit einem gewellten mittleren Bereich (5) und mit Gaszuführ- und Gasablaßöffnungen an flachen Seiten, welche zwischen einer oberen und einer unteren Unterteilungsplatte mit entsprechenden Öffnungen gehalten sind, wobei die Unterteilungsplatten (20, 21) mit einem Übertragungsbereich zwischen den flachen Unterteilungsplatten und der Trennplatte versehen sind, und wobei die Verbindung zwischen den Übertragungsbereichen und der Trennplatte eine Umfangsverbindung um die Öffnungen herum aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Übertragungsbereiche in einem schiefen Winkel in alle Richtungen sowohl von der Umfangsverbindung nahe der öffnung als auch von der Unterteilungsplatte (20) erstrecken, um eine Federkennlinie zu erhalten, und

daß Federeinrichtungen (22) zwischen der Verteilerplatte und der Trennplatte (7) vorgesehen sind, wobei die Federeinrichtungen einen Rahmen aufweisen, der um die Anordnung von aktiven Zellen herum angeordnet ist, wobei die rahmenartige Feder eingebaute Mittel zum Befördern der Prozeßgase enthält, und wobei der Querschnitt der Rahmenfeder der Federkennlinie des Übertragungsbereiches angepaßt ist.

2. Stapel von Brennstoffzellen vom Typ aus geschmolzenem Karbonat, gekennzeichnet durch daß die Zellen durch die im Anspruch 1 definierten Trennplatten voneinander getrennt sind.

3. Stapel von Brennstoffzellen nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen rahmenartigen Federaufbau, der um die Anordnung von aktiven Zellen herum angeordnet ist.