DE10156033A1

DE10156033A1 - Brennstoffzellenanordnung mit Stromkollektor für die Elektroden einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10156033A1
Application number: DE10156033A
Authority: DE
Inventors: Joachim Hoffmann
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2021-11-16
Also published as: DE10156033C2

Abstract

Es werden eine Brennstoffzellenanordnung mit Brennstoffzellen, die eine Anode und eine Kathode als Elektroden und eine zwischen diesen angeordnete Elektrolytmatrix aufweisen, wobei an den Anoden (1) diese elektrisch kontaktierende Anodenstromkollektoren (4a) und an den Kathoden diese elektrisch kontaktierende Kathodenstromkollektoren (4b) vorgesehen sind, sowie solche Stromkollektoren selbst beschrieben. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Stromkollektoren (4a, 4b) von Anode (1) und/oder Kathode durch eine poröse Struktur gebildet sind und dass die poröse Struktur ein als Alkali-Fänger geeignetes chemisch reaktives Material enthält. Hierdurch wird eine Vergiftung von in den Brennstoffzellen vorgesehenen Katalysatormaterialien durch aus dem Elektrolyten ausdampfende Alkaliverbindungen verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Stromkollektor für die Elektroden einer Brennstoffzelle.
Bei Brennstoffzellenanordnungen sind eine Anzahl von üblicherweise in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen vorgesehen, die eine Anode und eine Kathode als Elektroden und eine zwischen diesen angeordnete Elektrolytmatrix aufweisen. An den Anoden sind diese elektrisch kontaktierende Anodenstromkollektoren und an den Kathoden diese elektrisch kontaktierende Kathodenstromkollektoren vorgesehen. Die Funktion der Stromkollektoren umfasst neben der elektrischen Kontaktierung der Elektroden auch die Schaffung eines Raums zum Führen von Brenngas bzw. Kathodengas zu den Anoden bzw. den Kathoden. Weiterhin kann im Bereich der Anoden, insbesondere an den Stromkollektoren derselben ein Katalysatormaterial zur internen Reformierung des Brenngases vorgesehen sein. Schließlich kann die Brennstoffzellenanordnung auch noch eine den Anoden nachgeschaltete katalytische Brennvorrichtung zum Nachverbrennen brennbarer Restbestandteile des verbrauchten Brenngases enthalten.
Mit dem Betrieb von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen ist ein Verdampfen eines Teils des Elektrolyten in Form von Alkaliverbindungen wie KOH, NaOH bzw. LiOH verbunden. Die gebildeten Hydroxide werden aus den Halbzellen ausgetragen und können sich an den genannten Katalysatormaterialien abscheiden und diese durch eine unerwünschte Vergiftung deaktivieren.

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Brennstoffzellenanordnung sowie auch einen Stromkollektor für die Elektroden einer Brennstoffzelle anzugeben, bei denen die Abgabe von schädlichen Hydroxiden verhindert oder vermindert ist.

Die genannte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Brennstoffzellenanordnung gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch den im Anspruch 17 angegebenen Stromkollektor für die Elektroden einer Brennstoffzelle gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindungsgegenstände sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung mit Brennstoffzellen geschaffen, die eine Anode und eine Kathode als Elektroden und eine zwischen diesen angeordnete Elektrolytmatrix aufweisen, wobei an den Anoden diese elektrisch kontaktierende Anodenstromkollektoren und an den Kathoden diese elektrisch kontaktierende Kathodenstromkollektoren vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Stromkollektoren von Anode und/oder Kathode durch eine poröse Struktur gebildet sind, und dass die poröse Struktur ein als Alkali-Fänger geeignetes chemisch reaktives Material enthält.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die poröse Struktur eine der jeweiligen Elektrode zugewandte erste Schicht und eine der Elektrode abgewandte zweite Schicht aufweist, und dass zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht das als Alkali- Fänger geeignete chemisch reaktive Material in Form einer Zwischenschicht vorgesehen ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann das chemisch reaktive Material Si, Al oder Zr enthalten.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann das das chemisch reaktive Material SiO enthält.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann das chemisch reaktive Material eine Ni/Al-Legierung enthält.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht durch ein Trägermaterial, auf dem das chemisch reaktive Material aufgebracht ist, gebildet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Trägermaterial ein Papier.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht durch einen auf einer der einander zugewandten Oberflächen der ersten Schicht oder zweiten Schicht vorgesehenen Überzug gebildet.

Das chemisch reaktive Material kann durch ein Sprayverfahren, durch Schlickerauftrag oder durch Tauchen auf das Trägermaterial aufgebracht sein.

Das chemisch reaktive Material kann durch Beschichten mit Wasserglas auf das Trägermaterial aufgebracht sein.

Der die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht bildende Überzug kann durch Galvanisieren, durch Sputtern oder durch Flammspritzen gebildet sein.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht Aussparungen oder Fenster enthält, welche eine elektrisch Kontaktierung der ersten und zweiten Schicht untereinander bilden.

Gemäß einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die die Stromkollektoren bildende poröse Struktur aus einem Sintermaterial, vorzugsweise aus einem porösen Nickel- Sintermaterial besteht.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die die Stromkollektoren bildende poröse Struktur aus einem Nickel-Schaum-Material mit einem Feststoffgehalt von 4% bis ca. 35% besteht.

Gemäß noch einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die Anode und/oder die Kathode als Schicht auf der die Stromkollektoren bildenden porösen Struktur vorgesehen sind.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass auf der der Anode gegenüberliegenden Oberfläche der den Anodenstromkollektor bildenden porösen Struktur eine Schicht eines Katalysatormaterials vorgesehen ist.

Weiterhin wird durch die Erfindung ein Stromkollektor für die Elektroden einer Brennstoffzelle geschaffen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Stromkollektor von Anode und/oder Kathode durch eine poröse Struktur gebildet ist, und dass die poröse Struktur ein als Alkali-Fänger geeignetes chemisch reaktives Material enthält.

Ein solcher Stromkollektor kann erfindungsgemäß im Sinne der vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung angegebenen Ausgestaltungen weitergebildet sein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Schnittdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 in einer schematisierten, stark vergrößerten Querschnittansicht einen Ausschnitt einer einen Stromkollektor bildenden porösen Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellenanordnung bedeutet das Bezugszeichen 10 insgesamt einen Brennstoffzellenstapel, der aus einer Anzahl von Brennstoffzellen 12 besteht. Diese enthalten jeweils eine Anode 1, eine Kathode 2 und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix 3. Benachbarte Brennstoffzellen 12 sind durch Bipolarplatten 4 voneinander getrennt, welche dazu dienen die Ströme eines Brenngases B und eines Oxidationsgases 0 voneinander getrennt über die Anode 1 bzw. über die Kathode 2 der Brennstoffzellen 12 zu führen. Dabei sind die Anode 1 und die Kathode 2 benachbarter Brennstoffzellen 12 durch die Bipolarplatten 4c gastechnisch voneinander getrennt, jedoch über jeweilige Stromkollektoren 4a, 4b elektrisch kontaktiert, nämlich einen Anodenstromkollektor 4a an der Anode 1 und einen Kathodenstromkollektor 4b an der Kathode 2. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist in seiner Längsrichtung durch Zugstangen 5, welche zwischen Endplatten 6, 7 eingespannt sind, unter eine Vorspannung gesetzt. Die Vorspannung ist einstellbar.
Ganz allgemein sind die Stromkollektoren 4a, 4b durch eine poröse Struktur gebildet, welche die Anode 1 bzw. die Kathode 2 tragen. Eine solche poröse Struktur kann entweder nur für die Anoden 1 oder nur für die Kathoden 2 oder für beide vorgesehen sein. In der die Stromkollektoren 4a, 4b bildenden porösen Struktur sind Strömungswege vorhanden, welche dazu dienen, dass Brenngas bzw. das Kathodengas an den jeweiligen Elektroden 1, 2 vorbeizuführen und an diesen zu verteilen. Solche Strömungswege zum Führen von Brenngas bzw. Kathodengas können zum einen durch (mikroskopische) Strömungswege gebildet sein, die auf Grund der Porosität im Inneren der porösen Struktur vorhanden sind, sowie durch (makroskopische) Gaskanäle, die in oder an der porösen Struktur geschaffen sein können. Hierzu wird auf den Offenbarungsgehalt der derzeit unveröffentlichten Patentanmeldung DE 100 56 535.2 der Anmelderin Bezug genommen.
Bei der in Fig. 2 schematisiert und stark vergrößert dargestellten Querschnittsansicht ist eine die Stromkollektoren 4a, 4b von Anode 1 bzw. Kathode 2 bildende poröse Struktur durch eine der jeweiligen Elektrode 1, 2 zugewandte erste Schicht 4-1 und eine der Elektrode 1, 2 abgewandte zweite Schicht 4-2 gebildet. Zwischen der ersten Schicht 4-1 und der zweiten Schicht 4-2 ist ein als Alkali-Fänger geeignetes chemisch reaktives Material in Form einer Zwischenschicht 4-3 vorgesehen.
Die poröse Struktur, welche die Stromkollektoren 4a, 4b bildet ist vorzugsweise aus einem Sintermaterial hergestellt, vorzugsweise aus einem porösen Nickel-Sintermaterial. Ein solches poröses Nickel-Sintermaterial wird bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel verwirklicht durch ein Nickel-Schaum-Material mit einem Feststoffgehalt von 4% bis ca. 35%. Die Oberfläche der porösen Struktur 4a, 4b, sowohl die der Elektrode 1, 2 zugewandte Oberfläche wie auch die dieser abgewandte Oberfläche, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eben, so dass die poröse Struktur eine planparallele Platte bildet, mit Ausnahme der oben genannten, an der der Elektrode 1, 2 abgewandten Oberfläche eingearbeiteten Strömungskanäle zum Führen von Brenngas bzw. Kathodengas.
Das chemisch reaktive Material kann Si, Al oder Zr oder andere mit den abdampfenden Elektrolytkomponenten reagierende Elemente enthalten. Insbesondere kann das chemisch reaktive Material SiO enthalten, welches dazu neigt, mit den Hydroxiden, die gebunden werden sollen, unter Silikatbildung zu reagieren. Alternativ könnte auch eine Ni/Al- Legierung als chemisch reaktives Material verwendet werden. Das chemisch reaktive Material kann auch aus Oxiden der angeführten Elemente bestehen (MnOx, z. B. Al2O3, SiO2). Dabei kann es sich auch um Mischoxide mit weiteren Komponenten handeln (MnMm . . . Ox, z. B. Al-Silikate).
Die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht 4-3 ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Trägermaterial gebildet, auf dem das chemisch reaktive Material aufgebracht ist. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Trägermaterial eine Papierschicht. Das chemisch reaktive Material kann vorzugsweise durch ein Sprayverfahren, durch Schlickerauftrag oder durch Tauchen auf das Trägermaterial der Zwischenschicht 4-3 aufgebracht sein. Alternativ kann das chemisch reaktive Material zum Beispiel auch durch Beschichten mit Wasserglas auf das Trägermaterial der Zwischenschicht 4-3 aufgebracht sein.
Wie in Fig. 2 weiterhin dargestellt ist, enthält die Zwischenschicht 4-3 Aussparungen oder Fenster 24, welche eine elektrische Kontaktierung der ersten Schicht 4-1 und der zweiten Schicht 4-2 untereinander bilden. Auf der der Elektrode, nämlich der Anode 1 gegenüberliegenden Oberfläche der den Anodenstromkollektor 4a bildenden porösen Struktur, genauer gesagt, der zweiten Schicht 4-2 derselben, ist eine Schicht 18 eines Katalysatormaterials vorgesehen, welches einen Katalysator zur internen Reformierung des Brenngases bildet.
Abweichend zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht 4-3 als Überzug auf einer der einander zugewandten Oberflächen der ersten Schicht 4-1 oder der zweiten Schicht 4-2 vorgesehen sein. Ein solcher Überzug kann durch verschiedene schichtbildende Verfahren hergestellt sein, insbesondere durch Galvanisieren, durch Sputtern oder durch Flammspritzen. Auch hier könnten Aussparungen oder Fenster 24 in der Zwischenschicht 4-3 vorgesehen sein, um eine elektrische Kontaktierung der ersten Schicht 4-1 und der zweiten Schicht 4-2 untereinander zu bilden.
Die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht 4-3 kann "grün" eingebaut werden und die Formierung während des Ausbrandes des verwendeten Bindemittels erfolgen.
Durch das als Alkali-Fänger wirkende chemisch reaktive Material wird eine Vergiftung von in den Brennstoffzellen vorgesehenen Katalysatormaterialien durch aus dem Elektrolyten der Matrix 3 ausdampfende Alkaliverbindungen verhindert

Claims

1. Brennstoffzellenanordnung mit Brennstoffzellen (12), die eine Anode (1) und eine Kathode (2) als Elektroden und eine zwischen diesen angeordnete Elektrolytmatrix (3) aufweisen, wobei an den Anoden (1) diese elektrisch kontaktierende Anodenstromkollektoren (4a) und an den Kathoden (2) diese elektrisch kontaktierende Kathodenstromkollektoren (4b) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkollektoren (4a, 4b) von Anode (1) und/oder Kathode (2) durch eine poröse Struktur gebildet sind, und dass die poröse Struktur ein als Alkali-Fänger geeignetes chemisch reaktives Material enthält.

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur eine der jeweiligen Elektrode (1, 2) zugewandte erste Schicht (4-1) und eine der Elektrode (1, 2) abgewandte zweite Schicht (4-2) aufweist, und dass zwischen der ersten Schicht (4-1) und der zweiten Schicht (4-2) das als Alkali-Fänger geeignete chemisch reaktive Material in Form einer Zwischenschicht (4-3) vorgesehen ist.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material Si, Al oder Zr oder andere mit den Elektrolytkomponenten reagierende Elemente enthält.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material aus Oxiden der Elemente besteht.

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material aus Mischoxiden der Elemente des Typs MnMm . . . Ox besteht.

6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material SiO enthält.

7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material eine Ni/Al-Legierung enthält.

8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 7 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht (4-3) durch ein Trägermaterial, auf dem das chemisch reaktive Material aufgebracht ist, gebildet ist.

9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein Papier ist.

10. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht (4-3) durch einen auf einer der einander zugewandten Oberflächen der ersten Schicht (4-1) oder zweiten Schicht (4-2) vorgesehenen Überzug gebildet ist.

11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material durch ein Sprayverfahren, durch Schlickerauftrag oder durch Tauchen auf das Trägermaterial aufgebracht ist.

12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material durch Beschichten mit Wasserglas auf das Trägermaterial aufgebracht ist.

13. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht (4-3) bildende Überzug durch Galvanisieren, durch Sputtern oder durch Flammspritzen gebildet ist.

14. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 13 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht (4-3) Aussparungen oder Fenster (24) enthält, welche eine elektrisch Kontaktierung der ersten und zweiten Schicht (4-1, 4-2) untereinander bilden.

15. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die die Stromkollektoren (4a, 4b) bildende poröse Struktur aus einem Sintermaterial, vorzugsweise aus einem porösen Nickel-Sintermaterial besteht.

16. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die die Stromkollektoren (4a, 4b) bildende poröse Struktur aus einem Nickel-Schaum-Material mit einem Feststoffgehalt von 4% bis ca. 75%, vorzugsweise 4% bis 35% besteht.

17. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1) und/oder die Kathode (2) als Schicht auf der die Stromkollektoren (4a, 4b) bildenden porösen Struktur vorgesehen sind.

18. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Anode (1) gegenüberliegenden Oberfläche der den Anodenstromkollektor (4a) bildenden porösen Struktur eine Schicht (18) eines Katalysatormaterials vorgesehen ist.

19. Stromkollektor für die Elektroden einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (4a, 4b) von Anode (1) und/oder Kathode (2) durch eine poröse Struktur gebildet ist, und dass die poröse Struktur ein als Alkali-Fänger geeignetes chemisch reaktives Material enthält.

20. Stromkollektor nach Anspruch 19 mit den kennzeichnenden Merkmalen eines der Ansprüche 2 bis 18.