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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Separatorplatte mit
Brennstoff reformierender Kammer für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle und
ein Verfahren zur Herstellung derselben. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung eine Separatorplatte mit Brennstoff reformierender
Kammer für eine
Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, welche auf einfache und leichte
Weise hergestellt werden kann, um die Brennstoff reformierende Kammer,
welche ein indirektes Reformieren erlaubt, in die Separatorplatte zu
integrieren, um so eine einheitliche Temperaturverteilung der Separatorplatte
zu realisieren, um eine Brenngas reformierende Reaktion auszuführen, welche
eine endotherme Reaktion ist, unter Verwendung von Wärme, welche
während
des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt wird, und um eine hohe
Ausfallsicherheit zu besitzen, und ein Verfahren zur Herstellung
derselben.
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2.
Stand der Technik
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Brennstoffzellen
finden Beachtung als hocheffiziente Energieerzeuger der nächsten Generation mit
hoher Effizienz und geringer Schadstoffemission zur Umwandlung chemischer
Energie in elektrische Energie durch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion von Reaktanden.
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Die
Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer Anode, einer Kathode
und einer Elektrolytmatrix, welche zwischen der Anode und der Kathode angeordnet
ist, wobei ein Elektrolyt in die Elektrolytmatrix aufgenommen wird,
um einen effizienten Ionenfluss zu gewährleisten. Das heißt, dass
ein Brenngas (z.B. Wasserstoff) der Anode zugeführt wird, um es dadurch zu
oxidieren, wohingegen Sauerstoff oder Luft der Kathode zugeführt werden,
um Wasserstoffionen (H+) zu reduzieren,
welche von der Anode überführt werden,
und des Weiteren werden die Wasserstoffionen durch die zwischen
der Anode und der Kathode befindliche Elektrolytmatrix hindurch überführt, und
Elektronen fließen über einen äußeren Stromkreis.
Somit wird in der Brennstoffzelle die chemische Energie direkt in
elektrische Energie mittels der Oxidations-Reduktions-Reaktion von Wasserstoff
und Sauerstoff umgewandelt. Dementsprechend weist die Brennstoffzelle
den Vorteil auf, dass sie einen hohen Wirkungsgrad besitzt (weil
es keine Beschränkungen
gibt wie jene des Carnot-Prozesses,
welcher gekennzeichnet ist durch einen geringen Wirkungsgrad bei
der mechanischen Erzeugung von Wärme
durch Erhitzen von Wasser oder anderen Medien und Antreiben einer
Turbine mittels durch Wasserdampf erzeugten Drucks, wie bei der üblichen
Wärmeerzeugung),
erzeugt geringen Schadstoffausstoß (da es nicht zur Abgabe von Stickstoffoxid
oder Schwefeloxid kommt), erzeugt keinen Lärm (da es keine beweglichen
Teile gibt), kann modular aufgebaut werden (da die Brennstoffzelle
einfach zu bauen und zu vergrößern ist
und ihre Kapazität
verschiedenartig ausgebildet sein kann), ist kompatibel zu einer
Vielzahl von Brennstoffen (da es möglich ist, Brennstoffe wie
Wasserstoff, Kohlegas, Erdgas, Methanol und Benzin zu verwenden), und
ermöglicht
eine Kraft-Wärme-Kopplung
(da warmes Wasser erzeugt werden kann unter Verwendung von Abwärme in einer
Hochtemperatur-Brennstoffzelle). Insbesondere ist eine als Brennstoffzelle
der zweiten Generation bezeichnete Schmelzkarbonatbrennstoffzelle
(im Folgenden bezeichnet als „MCFC" (molten carbonate
fuel cell) dadurch gekennzeichnet, dass ein Material, bei dem Alkalimetallcarbonate
wie Lithiumcarbonat oder Kaliumcarbonat geschmolzen vorliegen, als
Elektrolyt verwendet wird, und gesintertes Nickel und gesintertes
lithiiertes Nickeloxid als Anode beziehungsweise als Kathode verwendet
werden. Das heißt,
eine schnelle elektrochemische Reaktion bei hohen Temperaturen ermöglicht die
Verwendung von kostengünstigem
Nickel anstelle von Platin als Elektrodenmaterial, was wirtschaftliche
Vorteile zur Folge hat. Ferner können Dank
der Eigenschaften der Nickel-Elektrode, bei welcher sogar Platin-Elektroden schädigendes
Kohlenmonoxid als Brennstoff mittels einer Wassergas-Shiftreaktion verwendet
werden kann, verschiedene Brennstoffe wie Kohlegas, Erdgas, Methanol und
Biogas gewählt
werden. Wenn Hochtemperatur-Abwärme
von guter Qualität
unter Verwendung eines Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators (hegt
recovery steam generator, HRSG) wiederverwertet wird, kann der thermische
Gesamtwirkungsgrad auf etwa 60% oder mehr gesteigert werden. Des Weiteren
können,
da die MCFC bei hohen Temperaturen betrieben wird, eine elektrochemische
Reaktion und eine Brennstoff reformierende Reaktion in einem Brennstoffzellen-Stapel
simultan erfolgen, um somit ein internes Reformieren zu realisieren.
Da eine derartige interne reformierende MCFC dazu dient, den Heizwert
der elektrochemischen Reaktion direkt auf eine reformierende Reaktion anzuwenden,
welche eine endotherme Reaktion ist, sogar ohne Verwendung eines
zusätzlichen
externen Wärmetauschers, ist
der thermische Gesamtwirkungsgrad des Systems viel höher als
der einer externen reformierenden MCFC, und darüber hinaus wird der Aufbau
des Systems vereinfacht. Die MCFC besteht weitgehend aus einem Stapel
zur Erzeugung von Elektrizität,
einem mechanischen Peripheriegerät,
wie beispielsweise einem Brennstoff-Zuführer, und einem elektrischen
Peripheriegerät,
wie beispielsweise einem Spannungswandler. Insbesondere wurden,
da der Stapel den Wirkungsgrad, die Lebensdauer und die Leistung
der MCFC beeinflusst, die Formen der Separatorplatten, die den Stapel
bilden und Verfahren zur Zufuhr des Brennstoffes in die Separatorplatte gründlich erforscht.
Trotz dieser Vorteile der MCFC existieren auch Nachteile, da diese
bei hohen Temperaturen betrieben werden muss und hochkorrosive geschmolzene
Carbonate als Elektrolyt verwendet, was unerwünschter Weise leicht zur Korrosion
der Bestandteile der Zelle führt.
Insbesondere sollte die Separatorplatte mit einem Kathodenteil,
einem Anodenteil und einer dazwischen befindlichen Elektrolytmatrix
bereitgestellt werden, und ein Brenngas und ein oxidierendes Gas
sollten getrennt voneinander in der Separatorplatte strömen, und
somit kann eine Korrosion der Separatorplatte oder ein Leckageausfluss
von der Separatorplatte die Gesamtleistung der Brennstoffzelle auf
sehr negative Weise beeinflussen. Zusätzlich sollte die Separatorplatte
der MCFC dazu dienen, ein Brenngas wie beispielsweise Erdgas oder
Kohlegas, welches kontinuierlich zugeführt wird, zu Wasserstoff zu
reformieren.
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Bei
einer konventionellen Separatorplatte werden, mit dem Ziel einer
vollständigen
Trennung des Gases des Anodenteils von dem des Kathodenteils, das
Ende der Separatorplatte und der Gaseinlass und der Gasauslass des
Manifolds (Verteilerkanal) unter Verwendung eines Nd:YAG-Lasers
miteinander verschweißt,
und ein Randabdichtungsbereich wird mit einem korrosionsbeständigen Überzug versehen
unter Verwendung einer Mischung, welche als Hauptbestandteil Aluminium
umfasst, sowie Nickel, Titan, Chrom und Kupfer, oder unter Verwendung
von keramischem Material wie beispielsweise Titannitrid, und wird
anschließend
bei 500~600°C
für eine
zuvor festgelegte Zeitspanne in einer reduzierenden Atmosphäre oder
in einem Vakuumofen stehen gelassen, gefolgt von der Durchführung einer
thermischen Behandlung zur Bildung einer Aluminium-Diffusionsschicht
bei einer erhöhten
Temperatur von 700~850°C.
Da es bei einem Schmelztauchverfahren, welches zu den konventionellen
Beschichtungsverfahren gehört,
schwierig ist, einen unerwünschten Bereich
zu maskieren und welches außerdem
bei hohen Temperaturen erfolgt, tritt eine unerwünschte Deformation des Grundwerkstoffes
nach Verwendung einer Aluminiumschmelze auf. Ferner, obwohl ein
physikalischer Gasabscheidungsprozess die Bildung einer Überzugsschicht
von hoher Qualität
ermöglicht,
leidet diese darunter, dass die Dicke der Schicht schwierig zu erhöhen ist
und die Verfahrenskosten dafür
sehr hoch sind. Zusätzlich
kann ein Pack-Cementation-Prozess
Probleme verursachen, die mit der Deformation einer Separatorplatte
und dem Phasenwechsel eines Grundwerkstoffs zusammenhängen, wenn
die Arbeiten bei 1000°C
oder mehr erfolgen. Des Weiteren kann im Falle des Flammspritzverfahrens,
auf Grund des Sandstrahlens zur Vorbehandlung oder des Drucks einer
Düse, ein
Grundwerkstoff deformiert werden oder Poren darin zurückbleiben,
und die Dicke der Schicht kann uneinheitlich sein. Des weiteren
ist ein Schlämmbeschichtungsverfahren
(slurry coating) kostengünstig und
einfach anzuwenden, um verschiedenen Formen zu beschichten, jedoch
ist es schwierig, die Viskosität des
Schlamms beizubehalten, wodurch die Einheitlichkeit der Dicke herabgesetzt
wird, und außerdem Poren,
welche von der Verdampfung von Lösemittel herrühren, schwierig
zu eliminieren sind, wodurch die Dicke der Überzugsschicht begrenzt ist.
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Weiterhin
ist die interne reformierende MCFC, bei welcher der Brennstoffzellenstapel
gefüllt ist
mit einem reformierenden Katalysator, bestehend aus einem Methan-Wasser-Dampf, um
dadurch den erzeugten Wasserstoff direkt als Brennstoff zu verwenden,
vorteilhaft, da ihre Herstellungskosten gering sind, der von der
Elektrodenreaktion erzeugte Heizwert auf die endotherme Reformierungsreaktion angewendet
werden kann und der in einem Bereich in der Nachbarschaft der Elektrode
erzeugte Wasserstoff direkt der Reaktion zugeführt wird, wodurch es ermöglicht wird,
eine hohe Brennstoffkonversionseffizienz zu erreichen. Unter den
konventionellen Separatorplatten für MCFCs weithin bekannt, wurde
eine externe verteilende/interne reformierende Separatorplatte in
US-Patent Nr. 6200696 B1 offenbart. Diese Separatorplatte ist auf
eine Weise aufgebaut, bei der die äußere Seitenfläche eines
Stapels, beispielsweise eine Verteilerleitung oder eine Sammelkammer, mit
einer Dichtung bereitgestellt wird, um diesen zu verschließen, so
dass ein Raum gebildet wird, der zur Reformierungsreaktion erforderlich
ist, welchem anschließend
ein Brenngas zugeführt
wird, um es zu reformieren, gefolgt von der Zuführung des reformierten Gases
einem Anodenteil. Die Separatorplatte besitzt demnach einen einfachen
Aufbau, und dadurch sind Herstellung und Zusammenbau derselben einfach.
Jedoch erfordert die obige Separatorplatte im Wesentlichen eine
Kreuzströmung,
bei dem die Strömungsrichtung
des dem Anodenteil zugeführten Brenngases
die Strömungsrichtung
des dem Kathodenteil zugeführten
oxidierenden Gases kreuzt, und unerwünschter Weise ist die Erzeugungsleistung
einer solchen Kreuzströmung
geringer als jene der Parallelströmung, bei welcher die Strömungsrichtungen der
Gase des Anodenteils und des Kathodenteils die gleichen sind. Zusätzlich ist
als weitere konventionelle Separatorplatte für eine MCFC eine interne verteilende/interne
reformierende Platte für
eine MCFC in US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 20040151975
A1 offenbart. Da jede Einheitszelle über eine interne reformierende
Separatorplatte verfügt,
einschließlich
Anodengas-Strömungswegen, Kathodengas-Strömungswegen
und Reformgas-Strömungswegen,
welche gebildet werden können
allein durch ein Faltverfahren, ohne zu schweißen, können die Temperatur-Inkremente
minimiert werden und der Gasstrom kann in Form einer Parallelströmung realisiert
werden. Jedoch erweist sich die obige Separatorplatte als unvorteilhaft,
da diese einen Aufbau besitzt, bei welchem eine Vielzahl von Manifold-Löchern durch
einen Dichtungsbereich am Rand der Platte gebildet werden, so dass
ein Brenngas durch die Löcher
zugeführt
wird, was unerwünschter
Weise einen komplizierten Aufbau, geringe Produktivität auf Grund
von Schwierigkeiten bei der Herstellung und Veränderungen in der Höhenausdehnung
des Stapels während
dessen Betrieb zur Folge hat.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
intensive und gründliche
Forschung bezüglich
Separatorplatten, ausgeführt
durch die vorlegenden Erfinder, zur Entwicklung einer Separatorplatte
für eine
MCFC mit einer Brennstoff reformierenden Kammer, welche indirektes
internes Reformieren unter Verwendung der Zentralplatte der Separatorplatte
ermöglicht,
welche eine Anode und eine Kathode voneinander trennt.
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Dementsprechend
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Separatorplatte
mit einer Brennstoff reformierenden Kammer für eine MCFC bereitzustellen,
welche auf einfache und leichte Weise hergestellt werden kann, um
die Brennstoff reformierende Kammer, welche ein indirektes Reformieren
ermöglicht,
in die Separatorplatte zu integrieren, um so eine einheitliche Wärmeverteilung
der Separatorplatte zu realisieren, um eine Brenngas reformierende
Reaktion auszuführen,
welche eine endotherme Reaktion ist, unter Verwendung von während des Betriebs
der Brennstoffzelle erzeugter Wärme,
und welche eine hohe Ausfallsicherheit besitzen soll, und ein Verfahren
zur Herstellung derselben.
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Um
die obige Aufgabe zu erfüllen,
stellt die vorliegende Erfindung eine Separatorplatte mit Brennstoff
reformierender Kammer für
eine MCFC bereit, umfassend einen Anodenteil, einschließlich eines
Paares einander gegenüber
liegender Brenngas-Leitungen, gebildet durch zweimaliges Falten
jedes der zwei Enden einer ersten rechteckigen Metallplatte, mit
einer Vielzahl von Führungsvorsprüngen auf
einem Zentralbereich derselben, in Richtung des Zentralbereichs
der ersten Metallplatte; einen Kathodenteil, einschließlich eines
Paares einander gegenüber
liegender Leitungen für
das oxidierende Gas, gebildet durch zweimaliges Falten jedes der
zwei Enden einer zweiten rechteckigen Metallplatte, welche eine
Vielzahl an Führungsvorsprüngen auf
einem Zentralbereich derselben besitzt, in Richtung des Zentralbereichs
der zweiten Metallplatte; und eine Brennstoff reformierende Kammer,
gebildet durch Falten einer dritten rechteckigen Metallplatte in
die Form eines Hexaeders mit zwei gegenüber liegenden offenen Flächen, wobei
der Anodenteil und der Kathodenteil derart aufeinander ausgerichtet
sind, dass die Brenngas-Leitungen und die Leitungen für das oxidierende
Gas aufeinander senkrecht stehende Gasströme aufweisen und so dass die
unteren Flächen
derselben einander gegenüber
liegen, und die Brennstoff reformierende Kammer sich zwischen dem
Anodenteil und dem Kathodenteil befindet, um entweder in den Anodenteil
oder in den Kathodenteil integriert zu sein, und einen Gaseinlass,
einen Gasauslass und eine innere Oberfläche besitzt, welche mit einem
reformierenden Katalysator überzogen sind,
um ein Brenngas zu reformieren, während dieses dort hindurch
geleitet wird.
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Die
Brennstoff reformierende Kammer kann in den Anodenteil integriert
sein.
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Die
Brennstoff reformierende Kammer kann einen Eckkontaktbereich umfassen,
welcher gebildet wird, indem zwei Enden der dritten Metallplatte
miteinander in Kontakt gebracht werden, um jeweils eine Ecke des
Hexaeders zu bilden.
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Die
Brennstoff reformierende Kammer kann einen Linienkontaktbereich
umfassen, welcher gebildet wird, indem zwei Enden der dritten Metallplatte derart
gefaltet werden, dass deren zwei Enden miteinander in Kontakt kommen
an jeweils einer Metallwandfläche
des Hexaeders.
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Die
Brennstoff reformierende Kammer kann ferner im Inneren einen Separator
umfassen.
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Zusätzlich stellt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit zur Herstellung einer
Separatorplatte mit einer Brennstoff reformierenden Kammer für eine MCFC,
umfassend (1) einen Anodenteil bildenden Schritt des zweimaligen
Faltens jedes der zwei Enden einer ersten Metallplatte in Richtung
eines Zentralbereichs der ersten Metallplatte, somit einen Anodenteil
bildend, bei welchem ein Paar von Brenngas-Leitungen einander gegenüber liegen;
(2) einen Kathodenteil bildenden Schritt des zweimaligen Faltens
jedes der zwei Enden einer zweiten Metallplatte, somit einen Kathodenteil
bildend, bei welchem ein Paar von Leitungen für oxidierendes Gas einander
gegenüber
liegen; (3) einen eine Brennstoff reformierende Kammer bildenden
Schritt des Überziehens
einer Oberfläche
einer dritten Metallplatte mit einem reformierenden Katalysator
zum Reformieren eines Brenngases, dreimaligen Faltens der dritten
Metallplatte in die Form eines Hexaeders, welcher zwei einander
gegenüber
liegende offene Flächen
besitzt und bei welchem zwei Enden der dritten Metallplatte miteinander
in Kontakt gebracht werden, um jeweils eine Ecke des Hexaeders auszubilden, um
somit einen Eckkontaktbereich zu bilden, dadurch eine Brennstoff
reformierende Kammer bildend, und Anbringen des Eckkontaktbereichs
der Brennstoff reformierenden Kammer an einer Ecke des Anodenteils
oder des Kathodenteils, welche benachbart zu dem Eckkontaktbereich
der Brennstoff reformierenden Kammer angeordnet ist, unter Anwendung
eines Schweißvorgangs;
und (4) einen Schritt des Ausrichtens zur Ausrichtung des Kathodenteils
oder des Anodenteils, welcher nicht an der Brennstoff reformierenden
Kammer angebracht ist, an der Brennstoff reformierenden Kammer,
so dass die Brenngas-Leitungen und die Leitungen für oxidierendes
Gas aufeinander senkrecht stehende Gasströme aufweisen.
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Ferner
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit zur Herstellung
einer Separatorplatte mit einer Brennstoff reformierenden Kammer
für eine
MCFC, umfassend (1) einen Anodenteil bildenden Schritt des zweimaligen
Faltens jedes der zwei Enden einer ersten Metallplatte in Richtung
eines Zentralbereichs der ersten Metallplatte, somit einen Anodenteil
mit einem Paar von einander gegenüber liegenden Brenngas-Leitungen
bildend; (2) einen Kathodenteil bildenden Schritt des zweimaligen
Faltens jedes der zwei Enden einer zweiten Metallplatte in Richtung
eines Zentralbereichs der zweiten Metallplatte, somit einen Kathodenteil
mit einem Paar von Leitungen für
oxidierendes Gas bildend; (3) einen eine Brennstoff reformierende
Kammer bildenden Schritt des Überziehens
einer Oberfläche
einer dritten Metallplatte mit einem reformierenden Katalysator
zum Reformieren eines Brenngases, viermaligen Faltens der dritten
Metallplatte in die Form eines Hexaeders, welcher zwei einander
gegenüber
liegende offene Flächen
besitzt und bei welchem zwei Enden der dritten Metallplatte miteinander
an jeweils einer Metallwand-Fläche
des Hexaeders in Kontakt gebracht werden, um somit einen Linienkontaktbereich zu
bilden, dabei eine Brennstoff reformierende Kammer bildend, und
Anbringen von Ecken der Brennstoff reformierenden Kammer an Ecken
des Anodenteils oder des Kathodenteils, welcher sich benachbart zu
den Ecken der Brennstoff reformierenden Kammer befindet, unter Anwendung
eines Schweißvorgangs;
und (4) einen Schritt des Ausrichtens zur Ausrichtung des Kathodenteils
oder des Anodenteils, der nicht an der Brennstoff reformierenden
Kammer angebracht ist, an der Brennstoff reformierenden Kammer,
so dass die Brenngas-Leitungen und die Leitungen für oxidierendes
Gas aufeinander senkrecht stehende Gasströme aufweisen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, welche den Aufbau der Separatorplatte
mit einer Brennstoff reformierenden Kammer für eine MCFC nach der vorliegenden
Erfindung schematisch darstellt;
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, welche den Vorgang des Zusammenbauens der
Separatorplatte aus 1 darstellt;
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3 ist
eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 2,
welche die Brennstoff reformierende Kammer nach einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 ist
eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 2,
welche die Brennstoff reformierende Kammer nach einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht, welche den Brenngas-Einlass der Brennstoff
reformierenden Kammer nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
und
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6 ist
eine perspektivische Ansicht, welche die Brennstoff reformierende Kammer
aus 1 darstellt, welche ferner einen Separator umfasst,
um den Strom des Brenngases umzukehren.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Im
Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen gegeben.
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Wie
in 1 dargestellt, umfasst die Separatorplatte mit
einer Brennstoff reformierenden Kammer für eine MCFC nach der vorliegenden
Erfindung einen Anodenteil 20, einschließlich eines
Paares von Brenngas-Leitungen 22 und 23, welche
einander gegenüber
liegen, gebildet durch zweimaliges Falten jedes der zwei Enden einer
ersten rechteckigen Metallplatte 21, mit mindestens zwei
Führungsvorsprüngen 24 auf
deren Zentralbereich, in Richtung des Zentralbereichs der ersten
Metallplatte 21; einen Kathodenteil 30, einschließlich eines
Paares von Leitungen 31 und 32 für oxidierendes
Gas, welche einander gegenüber
liegen, gebildet durch zweimaliges Falten jedes der zwei Enden einer
zweiten rechteckigen Metallplatte, mit mindestens zwei Führungsvorsprüngen auf
deren Zentralbereich, in Richtung des Zentralbereichs der zweiten
Metallplatte; und eine Brennstoff reformierende Kammer 40,
gebildet durch dreimaliges Falten einer dritten rechteckigen Metallplatte 41, um
die Form eines Hexaeders mit zwei einander gegenüber liegenden offenen Flächen auszubilden.
Somit sind der Anodenteil 20 und der Kathodenteil 30 aufeinander
ausgerichtet, so dass die Gasströme
der Brenngas-Leitungen 22 und 23 und
die Leitungen für oxidierendes
Gas 31 und 32 aufeinander senkrecht stehen und
so dass deren untere Flächen
einander gegenüber
liegen. Die Brennstoff reformierende Kammer 40, welche
sich zwischen dem Anodenteil 20 und dem Kathodenteil 30 befindet,
ist entweder in den Anodenteil 20 oder den Kathodenteil 30 integriert,
und schließt
einen Brenngas-Einlass 42 ein, einen Brenngas-Auslass und
die innere Oberfläche, welche überzogen
sind mit einem reformierenden Katalysator, um so ein Brenngas zu
reformieren, während
dieses dort hindurch geleitet wird. Das heißt, dass ein Brenngas wie beispielsweise
Methan (CH4) der Brenngas reformierenden
Kammer 40 zugeführt
wird, um dieses darin zu reformieren, wodurch dieses in Wasserstoff
umgewandelt wird, wonach das umgewandelte Brenngas zwischen die Brenngas-Leitungen 22 und 23 des
Anodenteils 20 zugeführt
wird, welcher sich direkt auf der Brennstoff reformierenden Kammer 40 befindet.
Zur gleichen Zeit wird das' oxidierende
Gas zwischen die Leitungen 31 und 32 für oxidierendes
Gas des Kathodenteils 30 zugeführt, welcher sich direkt unterhalb
der Brennstoff reformierenden Kammer 40 befindet, dadurch
Elektrizität
erzeugend. Somit ist die Brennstoff reformierende Kammer 40 dadurch
gekennzeichnet, dass diese in den Anodenteil 20 oder den
Kathodenteil 30 integriert ist, und vorzugsweise, wie in 2 ersichtlich,
in den Anodenteil 20. Insbesondere ist nach der vorliegenden
Erfindung die Brennstoff reformierende Kammer 40 derart
ausgebildet, dass diese in den Anodenteil 20 integriert
ist, wodurch die Zahl der Bestandteile der Brennstoff reformierenden
Kammer 40, einschließlich
der Metallplatte, und die Zahl der zu schweißenden Teile verringert wird,
was zu erhöhter
Ausfallsicherheit und Produktivität führt.
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Wie
in 2 dargestellt, ist der Anodenteil auf eine Weise
ausgebildet, in der jedes der zwei Enden der ersten Metallplatte 21 zweimal
in Richtung des Zentralbereichs der ersten Metallplatte 21 gefaltet
ist, das heißt
die erste Fläche 22-1 der
ersten Metallplatte 21 ist perpendikulär aufwärts gefaltet (in die in 2 mit „UP" bezeichnete Richtung),
bezogen auf die erste Metallplatte 21, und anschließend wird die
zweite Fläche 22-2 perpendikulär gefaltet,
bezogen auf die erste Fläche 22-1,
dadurch die erste Brenngas-Leitung 22 bildend. Ferner ist
auf diese Weise die erste Fläche 23-1 der
ersten Metallplatte 21, bezogen auf die erste Metallplatte 21,
perpendikulär
aufwärts
gefaltet, und anschließend
wird die zweite Fläche 23-2,
bezogen auf die erste Fläche 23-1,
perpendikulär
gefaltet, somit die zweite Brenngas-Leitung 23 bildend.
Dabei sind die Brenngas-Leitungen 22 und 23 in
Form einer rechteckigen Leiste ausgebildet, so dass der offene Bereich
der ersten Brenngas-Leitung 22 gegenüber jenem der zweiten Brenngas-Leitung 23 liegt,
woraus sich der Anodenteil 20 ergibt. Zusätzlich sind
eine Anodenkollektorplatte, eine Anode und eine Elektrolytmatrix
aufeinander folgend in der Aufwärtsrichtung
(dargestellt durch „UP" in 2)
des Anodenteils 20 miteinander verbunden.
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Wie
in 1 dargestellt ist der Kathodenteil 30 auf
eine Weise ausgebildet, in der jedes der zwei Enden der zweiten
Metallplatte zweimal in Richtung des Zentralbereichs der zweiten
Metallplatte gefaltet wird, das heißt die erste Fläche 31-1 der
zweiten Metallplatte ist perpendikulär abwärts (in die in 1 mit „DOWN" bezeichnete Richtung),
bezogen auf die zweite Metallplatte, gefaltet, und anschließend wird die
zweite Fläche 31-2 perpendikulär gefaltet,
bezogen auf die erste Fläche 32-1,
somit die erste Leitung 31 für oxidierendes Gas bildend.
Ferner ist auf diese Weise die erste Fläche 32-1 der zweiten
Metallplatte perpendikulär
abwärts
gefaltet, bezogen auf die zweite Metallplatte, und anschließend wird
die zweite Fläche 32-2 perpendikulär gefaltet,
bezogen auf die erste Fläche 32-1,
somit die zweite Leitung 32 für oxidierendes Gas bildend.
Dadurch sind die Leitungen 31 und 32 für oxidierendes
Gas in Form einer rechteckigen Leiste ausgebildet, so dass der offene
Bereich der ersten Leitung 31 für oxidierendes Gas gegenüber jenem
der zweiten Leitung 32 für oxidierendes Gas liegt, woraus
sich der Kathodenteil 30 ergibt. Ferner sind eine Kathodenkollektorplatte,
eine Kathode und eine Elektrolytmatrix aufeinander folgend in der
Abwärtsrichtung
(durch „DOWN" dargestellt in 1)
des Kathodenteils miteinander verbunden.
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Die
Brennstoff reformierende Kammer 40 befindet sich zwischen
dem Anodenteil 20 und dem Kathodenteil 30 und
ist vorzugsweise in den Anodenteil 20 integriert. Die innere
Oberfläche
der Brennstoff reformierenden Kammer ist mit einem reformierenden Katalysator überzogen.
Somit dient der reformierende Katalysator dazu, das Brenngas zu
reformieren, welches durch den Brenngas-Einlass 42 zugeführt wird
und durch die Brennstoff reformierende Kammer geleitet wird. Somit
wird, wie in 1 ersichtlich, das Brenngas
zugeführt
durch den Brenngas-Einlass 42 der Brennstoff reformierenden
Kammer 40, strömt auf
der Seite gegenüber
dem Brenngas-Einlass aus und wird dann dem Anodenteil 20 zugeführt, welcher sich
auf der Brennstoff reformierenden Kammer 40 befindet. Dementsprechend
ist die Strömungsrichtung
des Brenngases vor einer reformierenden Reaktion entgegengesetzt
zu jener des Brenngases im Anodenteil 20 nach der reformierenden
Reaktion, was einen Gegenstrom zur Folge hat. Alternativ wird ferner,
wie in 6 ersichtlich, in der Brennstoff reformierenden
Kammer 40 ein Separator 60 bereitgestellt, um
die Brennstoff reformierende Kammer 40 in den oberen Bereich
und den unteren Bereich aufzuteilen, und der Auslass gegenüber dem
Brenngas-Einlass 42 ist
geschlossen, wodurch die Strömungsrichtung
der Brennstoff reformierenden Kammer in eine U-Strömung umgewandelt
wird. Infolgedessen resultieren die Strömungsrichtung des Brenngases
vor der reformierenden Reaktion und die Strömungsrichtung des Brenngases
im Anodenteil 20 nach der reformierenden Reaktion in einer
Parallelströmung
in die gleiche Richtung. Der Separator 60 kann als Einrichtung
zur Kontrolle der Temperatur des Hotspots im Brennstoffzellenstapel
verwendet werden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „reformieren" die Umwandlung eines
Brenngases in Wasserstoff (H2) mittels thermischer
Zersetzung. Wasserstoff ist das einfachste Brenngas und wird zu
Wasserstoffionen durch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion umgewandelt. Das
Brenngas wird der Anode zugeführt,
um dieses dadurch zu oxidieren, während Sauerstoff oder Luft
der Kathode zugeführt
wird, um von der Anode aus überführte Wasserstoffionen
(H+) zu reduzieren, und des Weiteren werden
die Wasserstoffionen durch die Elektrolytmatrix zwischen der Anode
und der Kathode hindurch überführt, und
Elektronen fließen über einen äußeren Stromkreis,
somit die Zellreaktion abschließend,
was die Erzeugung von Elektrizität
zur Folge hat. Die Effizienz der Brenngas-Reformierung in der Reformerkammer 40 beträgt 30~70%
der Gesamtmenge des der Brennstoff reformierenden Kammer 40 zugeführten Brenngases,
wonach das verbleibende Brenngas dem Anodenteil 20 aus
der Brennstoff reformierenden Kammer 40 zugeführt wird,
so dass dieses im Anodenteil 20 reformiert wird. In einem
solchen Fall wird das Brenngas nicht zu 100% reformiert, jedoch werden
etwa 99% der Gesamtmenge des der Reformerkammer 40 zugeführten Brenngases
auf Grund verschiedener Betriebsfaktoren reformiert.
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Der
Anodenteil 20 und der Kathodenteil 30 werden auf
beziehungsweise unterhalb der Brennstoff reformierenden Kammer bereitgestellt.
Als solche sind der Anodenteil 20 und der Kathodenteil
derart aufeinander ausgerichtet, dass die Brenngas-Leitungen 22 und 23 und
die Leitungen 31 und 32 für oxidierendes Gas aufeinander
senkrecht stehende Strömungen
aufweisen. Somit dient die Brennstoff reformierende Kammer 40 dazu,
eine reformierende Reaktion auszuführen, welche eine endotherme
Reaktion ist, unter Verwendung von Wärme aus der Brennstoffzelle,
welche den Anodenteil 20 und den Kathodenteil 30 einschließt, und
dazu dient, die Wärmeverteilung
der Separatorplatte zu verringern, um diese so einheitlich zu kontrollieren.
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Die
Brennstoff reformierende Kammer 40 ist auf eine Weise ausgebildet,
wie in 3 ersichtlich, dass die dritte Metallplatte 41 dreimal
gefaltet ist in die Form eines Hexaeders mit zwei offenen Flächen. Als
solche schließt
die Brennstoff reformierende Kammer 40 einen Eckkontaktbereich 43 ein,
gebildet dadurch, dass zwei Enden der dritten Metallplatte 41 miteinander
in Kontakt gebracht werden, um jeweils eine Ecke des Hexaeders zu
bilden. Vorzugsweise befindet sich der Eckkontaktbereich 43 in
der Aufwärtsrichtung
der Brennstoff reformierenden Kammer, so dass sich der Eckkontaktbereich 43 benachbart
der Ecke des Anodenteils 20 befindet, um den "Eckkontaktbereich 43 der
Brennstoff reformierenden Kammer 40 mit der Ecke des Anodenteils 20 zu
verschweißen.
Dabei kann die Formgebung der Brennstoff reformierenden Kammer 40 und
deren Befestigung am Anodenteil 20 zur gleichen Zeit realisiert werden.
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Alternativ
ist, wie in 4 ersichtlich, die Brennstoff
reformierende Kammer auf eine Weise ausgebildet, dass die dritte
Metallplatte viermal gefaltet wird in die Form eines Hexaeders mit
zwei einander gegenüber
liegenden offenen Flächen.
In diesem Fall schließt
die Brennstoff reformierende Kammer 40 einen Linienkontaktbereich 44 ein,
gebildet durch Falten zweier Enden der dritten Metallplatte derart, dass
deren zwei Enden miteinander in Kontakt kommen an jeweils einer
Metallwandfläche
des Hexaeders. Da die Brennstoff reformierende Kammer 40 unter
Anwendung eines solchen Faltungsvorgangs gebildet wurde, kann als
Gussform für
eine Separatorplatte eine unveränderte
konventionelle Gussform verwendet werden. Ferner ist der Linienkontaktbereich 44 fest
an der unteren Fläche
des Anodenteils 20 angebracht und erfordert somit keinen
zusätzlichen
Schweißvorgang,
um Luftdichtheit zu gewährleisten,
was verhindert, dass das Brenngas dort hindurch entweicht. Beide
Ecken des Anodenteils 20 und die Ecken der direkt darunter
befindlichen Brennstoff reformierenden Kammer 40 sind miteinander verschweißt, wodurch
die Brennstoff reformierende Kammer am Anodenteil 20 angebracht
ist.
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Der
Zentralbereich der Metallplatte, welche sowohl den Kathodenteil 30 als
auch den Anodenteil 20 bildet, ist derart geformt, dass
dieser mindestens zwei Führungsvorsprünge 24 besitzt,
so dass die Strömungswege über die
gesamte Fläche
der Separatorplatte verteilt sind. Die Vorsprünge dienen dazu, es dem Gasstrom
zu ermöglichen,
einheitlich zu sein, um so das einheitliche Strömen des Gases (Brenngas im
Anodenteil 20 oder oxidierendes Gas im Kathodenteil 30)
in der der Separatorplatte zu realisieren, wodurch es ermöglicht wird,
die Wärmeverteilung
der Separatorplatte auf einheitliche Weise aufrechtzuerhalten, erwärmt unter
Verwendung von Wärme,
welche während
des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt wird.
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Zusätzlich stellt
die vorliegende Erfindung das Verfahren zur Herstellung der Separatorplatte mit
Brennstoff reformierender Kammer für eine MCFC bereit, wobei das
Verfahren umfasst: (1) einen Anodenteil bildenden Schritt des zweimaligen
Faltens jedes der beiden Enden einer ersten Metallplatte 21 in
Richtung des Zentralbereichs der ersten Metallplatte 21,
somit einen Anodenteil 20 mit einem Paar von einander
gegenüber
liegenden Brenngas-Leitungen 22 und 23 bildend;
(2) einen Kathodenteil bildenden Schritt des zweimaligen Faltens
jedes der zwei Enden einer zweiten Metallplatte in Richtung des Zentralbereichs
der zweiten Metallplatte, somit einen Kathodenteil 30 mit
einem Paar von einander gegenüber
liegenden Leitungen 31 und 32 für oxidierendes Gas
bildend; (3) einen eine Brenngas reformierende Kammer bildenden
Schritt des Überziehens
der Oberfläche
der dritten Metallplatte 41 mit einem reformierenden Katalysator
zum Reformieren eines Brenngases, dreimaligen Faltens der dritten
Metallplatte in die Form eines Hexaeders, welcher zwei einander
gegenüber
liegende offene Flächen
besitzt und bei welchem die zwei Enden der dritten Metallplatte 41 miteinander
in Kontakt gebracht werden, um jeweils eine Ecke des Hexaeders zu
bilden, um somit einen Eckkontaktbereich 43 zu bilden,
dadurch eine Brennstoff reformierende Kammer bildend, und Anbringen
des Eckkontaktbereichs 43 der Brennstoff reformierenden
Kammer 40 an der Ecke des Anodenteils 20 oder
des Kathodenteils 30, welcher sich benachbart zum Eckkontaktbereich
befindet, unter Anwendung eines Schweißvorgangs; und (4) einen Ausrichtungsschritt
des Ausrichtens des Kathodenteils 30 oder des Anodenteils 20,
welcher nicht an der Brennstoff reformierenden Kammer angebracht
ist, an der Brennstoff reformierenden Kammer 40, so dass
die Brenngas-Leitungen 22 und 23 und die Leitungen 31 und 32 für oxidierendes
Gas aufeinander senkrecht stehende Gasströme aufweisen.
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Alternativ
stellt die vorliegende Erfindung das Verfahren zur Herstellung der
Separatorplatte mit der Brennstoff reformierenden Kammer für eine MCFC
bereit, wobei das Verfahren umfasst: (1) einen Anodenteil bildenden
Schritt des zweimaligen Faltens jedes der zwei Enden einer ersten
Metallplatte 21 in Richtung des Zentralbereichs der ersten
Metallplatte 21, somit einen Anodenteil 20 mit
einem Paar von einander gegenüber
liegenden Brenngas-Leitungen 22 und 23 bildend;
(2) einen Kathodenteil bildenden Schritt des zweimaligen Faltens
jedes der zwei Enden einer zweiten Metallplatte in Richtung des Zentralbereichs
der zweiten Metallplatte, somit einen Kathodenteil 30 mit
einem Paar von einander gegenüber
liegenden Leitungen 31 und 32 für oxidierendes Gas
bildend; (3) einen eine Brenngas reformierende Kammer bildenden
Schritt des Überziehens
der Oberfläche
einer dritten Metallplatte 41 mit einem reformierenden
Katalysator zum Reformieren eines Brenngases, viermaligen Faltens
der dritten Metallplatte in die Form eines Hexaeders, welcher zwei
einander gegenüber
liegende offene Flächen
besitzt und bei welchem die zwei Enden der dritten Metallplatte miteinander
in Kontakt gebracht werden an jeweils einer Metallwandfläche des
Hexaeders, um somit einen Linienkontaktbereich 44 zu bilden,
dadurch eine Brennstoff reformierende Kammer 40 bildend,
und Anbringen der Ecken der Brennstoff reformierenden Kammer 40 unter
Anwendung eines Schweißvorgangs
an den Ecken des Anodenteils 20 oder des Kathodenteils 30,
welcher sich benachbart zu den Ecken der Brennstoff reformierenden
Kammer 40 befindet; und (4) einen Schritt des Ausrichtens
des Kathodenteils 30 oder des Anodenteils 20,
welcher nicht an der Brennstoff reformierenden Kammer 40 angebracht
ist, an der Brennstoff reformierenden Kammer 40, so dass
die Brenngas-Leitungen 22 und 23 und die Leitungen 31 und 32 für oxidierendes
Gas zueinander senkrecht stehende Gasströme aufweisen.
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Der
Anodenteil 20 und der Kathodenteil 30 können ferner
mit einem Nickelüberzug
oder mit einem korrosionsbeständigen Überzug versehen
werden. Das Überziehen
mit Nickel oder mit einem korrosionsbeständigen Überzug kann auf einfache Weise
unter Anwendung eines bekannten Verfahrens erfolgen, was Fachleute
leicht verstehen werden. Beispielsweise wird das Überziehen
mit einem korrosionsbeständigen Überzug unter
Auswahl eines der folgenden korrosionsbeständigen Materialien durchgeführt: Aluminium,
Nickel-Aluminium und Aluminium-Titan, wodurch die Korrosionsbeständigkeit
erhöht
wird. Ein derartiges Überziehen
mit einem korrosionsbeständigen Überzug wird
vorzugsweise ausgeführt
unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, wie beispielsweise
des Siebdrucks. Die aus einem Siebdruckverfahren resultierende Überzugsschicht
ist vorzugsweise mit einer zuvor festgelegten Dicke ausgebildet,
welche von 10 bis 100 μm
reicht, abhängig
von der vertikalen Entfernung zwischen der Schablone und dem Seitenwandelement.
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Auf
konventionelle Weise kann, da ein reaktives Gas eines Anodenteils
unter Verwendung eines Reformers als externes Peripheriegerät reformiert wird,
um somit Wasserstoff zu erzeugen, welcher anschließend einem
Zellenstapel zugeführt
wird, der Temperaturgradient im Zellenstapel nicht minimiert werden,
was es unerwünschter
Weise unmöglich macht,
von der Zelle eine hohe Leistung und lange Lebensdauer zu erwarten.
Jedoch kann nach der vorliegenden Erfindung die hohe Betriebstemperatur des
Zellenstapels auf Grund der durch die elektrochemische Reaktion
erzeugten Wärme
zur Aktivierungswärme
für die
endotherme Reformierungsreaktion von Wasserdampf beitragen, und
somit wird der Temperaturanstieg im Zellenstapel vermieden, und ferner
wird der Temperaturgradient der Separatorplatte minimiert, was eine
Verlängerung
der Lebensdauer der Brennstoffzelle und eine Verbesserung der Leistung
der Zelle zur Folge hat. Darüber
hinaus kann das System vereinfacht werden, ohne dass ein externer
Reformer verwendet wird.
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Wie
zuvor beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung eine Separatorplatte
mit Brennstoff reformierender Kammer für eine MCFC und ein Verfahren zur
Herstellung derselben bereit. Nach der vorliegenden Erfindung kann
die Separatorplatte mit Brennstoff reformierender Kammer für eine MCFC
auf einfache und leichte Weise hergestellt werden, um die Brennstoff
reformierende Kammer, welche ein indirektes Reformieren ermöglicht,
in die Separatorplatte zu integrieren, um so eine einheitliche Wärmeverteilung
der Separatorplatte zu realisieren, um eine Brenngas reformierende
Reaktion durchzuführen, welche
eine endotherme Reaktion ist, unter Verwendung von Wärme, die
während
des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt wurde, und um eine hohe Ausfallsicherheit
zu besitzen.
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Obwohl
die bevorzugten Ausführungsformen des
vorliegen Erfindung zu Zwecken der Darstellung offenbart wurde,
werden Fachleute anerkennen, das verschiedene Abänderungen, Zufügungen und
Ersetzungen möglich
sind, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung, wie in den anhängenden
Ansprüchen offenbart,
abzuweichen.