DK142297B - Brændselscellestabel. - Google Patents

Description

(11) fremlæggelsesskrift 142297 DANMARK <»') int.ci.1 m s/oa t(21) Aneegning nr. 1525/? 6 (22) Indleveret den 51« ®ap. -j ^ (24) Lebedeg 51. mar. 1976 (44) Aneegningen fremlagt og

fremlwggeleewfcdftetoffentUmijonden °· 190Q

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (3°) P"0'"* o·®»·* fr« den

2. maj 1975, 574127, US

(71> UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION, 1, Financial Plaza, Hartford, Ct" TT6101, US.

I72) Opfinder: Harold Russell Kunz, 26 Valley View Lane, Vernon, CT 06086, US: Carl Anthony Reiser, 142 Cider Mill Road, Glastonbury, CT 06055, US. ~ (74) Fuldmægtig under eagens behandling:

Ingeniørfirmaet Hofman-Bang & Boutard.

(54) Brændsels cell es tabel.

Opfindelsen vedrører brændselsceller og navnlig et antal brændselsceller, som er elektrisk serieforbundne i en stabel.

En brændselscelle omfatter i princippet en anode i afstand fra en katode, hvor der mellem disse elektroder findes en elektrolyt.

Hver elektrode omfatter endvidere et katalysatorlag på den side, som vender imod elektrolytten. På den modsatte side af elektroden, det vil sige den side, som vender bort fra elektrolytten, findes der for anodens vedkommende en reaktantgas i et brændselskammer og for katodens vedkommende en reaktantgas i et kammer for iltningsmiddel. Elektroderne er konstrueret således, at gassen diffunderer gennem disse og kommer i kontakt med elektrolytten i 2 142297 katalysatorlaget, hvorved der opstår en elektrokemisk reaktion, hvor der vandrer ioner fra katoden gennem elektrolytten til anoden. Disse ionbevægelser udgør den elektriske strøm, der producerer sig selv. Ved et brændselscelleaggregat er flere brændselsceller forblindet elektrisk i serie via plader, som adskiller naboceller, således at der dannes en stabel. Disse plader udgør i forbindelse med de tilhørende elektroder i alt væsentligt en passage for reaktantgasserne. Spændingen over stabelen er lig med summen af spændingsfaldene over de enkelte celler, som er en funktion af den strøm, som cellen producerer. Strømstyrken gennem hver celle er direkte proportional med den mængde reaktantgas, som forbruges ved den elektrokemiske reaktion.

Ved en form for kendte brændselsceller passerer brændselet kun en gang parallelt gennem stabelen af celler, det vil sige, brændselet kommer ind ved den ene side, forløber direkte gennem cellen og træder ud ved den modsatte side. Hvis en af cellerne i stabelen har en dårlig strømfordeling, hvilket for eksempel kan optræde på grund af et uensartet katalysatorlag, vil et vist areal af denne celle ikke bære sin del af strømmen. Den resterende del af cellen, som for eksempel kun får tilført 80 pct. af brændselet, skal derfor bære hele strømmen. Hvis der ikke tilføres tilstrækkeligt brændsel til at oppebære denne strøm, vil cellen kunne brænde af og derved forårsage en fejl for hele stabelen.

Fejlen berører ikke kun den enkelte celle, men breder sig til adskillige naboceller i strømmens retning.

Det har været forsøgt at løse dette problem ved at lede brændselet gennem cellen i et bugtet mønster, således at alt brændselet teoretisk vil passere over enhver del af elektroden. Dette medfører, at selv om kun for eksempel de nævnte 80 pct. af cellen bærer hele strømmen, vil al brændselet passere hen over disse 80 pct. af cellen og således kunne oppebære strømmen.

Det er imidlertid ikke en tilfredsstillende løsning at føre reaktantgassen på den bugtede form, idet en blokering i et brændselskammer kan standse brændselsstrømmen. Der vil derfor optræde mangel på hydrogen i cellen, hvilket kan medføre korrosion og til sidst udfald af cellen og/eller hele stabelen.

142297 3

Denne teknik kan også resulten i en dårlig fordeling af reaktantgassen, især i områder, hvor gassen passerer bugtningerne, hvilket nedsætter brændselsudnyttelsen.

Fra beskrivelsen til US patent 3.101.285 kendes grupper af kanaler i elektroden. Et sæt af grupper forsyner elektroden med frisk reaktantgas, medens det andet sæt grupper bortleder den afbrændte gas fra elektroden. Denne kendte teknik afhjælper ikke de ulemper, som der er gjort opmærksom på ovenfor, nemlig at en blokering af en af grupperne vil medføre afbrydelse af hele elektroden.

De nævnte ulemper undgås heller ikke ved den fra USA patent nr. 3.436.272 kendte teknik, som angiver for alle elektroderne i stabelen fælles indførings- og udføringsmanifoldorganer.

Formålet med opfindelsen er at angive en brændselscellestabel af den beskrevne art, hvor der opnås en i forhold til den kendte teknik bedre fordeling af reaktantgassen, som medfører en bedre udnyttelse af gassen og medfører en bedre fordeling af den elektriske strøm gennem cellerne.

Dette formål opnås ved den i krav l’s kendetegnende del angivne kombination af en fysisk opdeling af reaktantgaskamrene og brugen af fælles indførings- og udføringsmanifoldorganer i forbindelse med de nævnte blandingsmanifoldorganer.

I det mindste én af reaktantgasserne føres parallelt gennem hver celle i stabelen, men kun i gasudveksling med en del af en elektrode fra hver celle. Restgassen føres derefter parallelt tilbage gennem hver celle, men nu i gasudveksling med en anden del af elektroderne. Ved at gentage denne samling af gas, som har passeret en del af hver elektrode, og føre denne gas over en ny del af hver elektrode, vil gassen til sidst have passeret hen over hver elektrodes samlede areal.

Brændslet kunne f.eks. passere parallelt hen over halvdelen af hver anode. Efter denne passage kunne gassen samles i en manifold og føres tilbage over den anden halvdel af hver anode. Hver 4 U 2297 elektrode kunne også være opdelt i fire områder, således at reaktantgassen passerede cellen fire gange, hvor gassen ved hver af de tre sidste passager er en blanding af gas fra den forudgående passage gennem stabelens celler. Denne gasfordeling kan udnyttes for brændslets eller oxidationsmidlets vedkommende eller for begge reaktantgasser samtidigt.

Det vil kunne forstås, at en blokering i en del af en celle ved denne udformning ikke afskærer eller reducerer gasstrømmen til de andre elektrodedele, da gassen hertil kommer fra en mellemliggende manifold. Den del af cellen, som er uberørt af blokeringen, kan derfor bære den overskydende strøm. Blokeringen vil ikke komme til at berøre hele cellen, som det er tilfældet med en bugtet gasstrøm af den nævnte art, hvor der ikke eller kun delvis tilføres gas til de andre dele af cellen. Den nævnte ulempe ved, at gasstrømmen afbøjes i bugtningerne, undgås også ved opfindelsen, hvorved der opnås en mere ensartet fordeling af gassen til alle dele af cellen. En mere ensartet fordeling resulterer i en bedre udnyttelse af gassen, hvilket er en yderligere fordel ved opfindelsen. Der opnås også en bedre udnyttelse af cellen, idet en blokering af et område af en celle kun har betydning for en lille del af cellen sammenlignet med den kendte teknik.

Endelig opnås der ved opfindelsen den fordel, at problemerne ved en dårlig strømfordeling i en celle er afhjulpet, hvor den dårlige strømfordeling for eksempel kan skyldes, at katalysatorlaget på et område af en elektrode er mangelfuld, således at den øvrige del af elektroden skal bære hele strømmen. Ifølge opfindelsen tilføres der ikke en reduceret gasmængde til den øvrige del af elektroden, som derfor vil være i stand til at bære den overskydende strøm.

Krav 2 angiver hensigtsmæssige enkeltheder ved barriereorganerne, hvorved der opnås en våd tætning mellem indbyrdes adskilte, hosliggende kammersektioner.

Opfindelsen vil blive nærmere forklaret ved den følgende beskrivelse af nogle udførelsesformer, idet der henvises til tegningen, hvor 5 142297 fig. 1 perspektivisk viser en stabel af brændselsceller ifølge opfindelsen, fig. 2 et snit gennem den i fig. 1 viste stabel af brændselsceller, set i anden målestok); fig. 3 et vandret snit af den i fig. 1 viste stabel, set ovenfra og ned på den side af en anode, som vender bort fra elektrolytten, medens fig. 4 viser en anden udførelsesform for det i fig. 3 viste.

En udførelsesform for opfindelsen er i figurerne generelt betegnet med henvisningsnummeret 10. Stabelen 10 omfatter et antal brændselsceller 12, som er indbyrdes elektrisk serieforbundne.

Hver celle omfatter en separatorplade 14 og en elektrodeopbygning 16. I fig. 2 kan det ses, at elektrodeopbygningen 16 omfatter en anode eller brændselselektrode 18, en katode eller oxidationselektrode 20 samt en elektrolytbærende matrix 22, som er anbragt mellem elektroderne. Hver elektrode består af et underlag 24, og på dette er der mod den side, som vender imod elektrolytten, anbragt et katalysatorlag 26. Matrixen 22 kan bestå af phosphor-syre, underlaget 24 kan være kulstof, medens katalysatorlaget kan være platin. Opfindelsen er naturligvis ikke begrænset til anvendelse af de eksempelvis nævnte stoffer. I forbindelse med den side af anoden, som vender bort fra elektrolytten, danner separatorpladen 14 et brændselskammer 28 for reaktantgas. Pladen 14a fra den tilstødende celle udgør i forbindelse med den side af katoden 20, som vender bort fra elektrolytten, et kammer 30, for oxiderende reaktantgas. Ved denne udførelsesform har pladerne 14 ribber 32, 33, som ligger an mod elektroderne 18 henholdsvis 20 til fastholdelse af disse. Midterribben 32a tjener også som en skillevæg til opdeling af kammeret 28 i to halvdele 28a og 28b. Bortset fra ribben 32a er de andre ribber ikke nødvendige for opfindelsen:, men hvis sådanne yderligere ribber findes, er de udformet således, at der opnås fri og ensartet fordelt gasstrøm gennem hvert af kamrene 28a, 28b og 30.

6 142297

Ved den i fig. 1 viste udførelsesform strækker ribberne 32 i brandselskammeret 28 sig på langs af cellen 12, hvorved der dannes lige kanaler 34 med rektangulært tværsnit og med åbninger 35 i cellens modstående ender. Oxidationskamrene 30’s ribber 33 står vinkelrette på ribberne 32 og strækker sig over cellen 12’s bredde, således at der dannes kanaler med åbninger 36 på begge sider af stabelen 10. Stabelen 10 omfatter også en indførings- manifold 38 og udføringsmanifold 40 for iltningsmiddel, og omfatter en indføringsmanifold 42 og udføringsmanifold 44 for brændsel, samt omfatter en manifold 46 til blanding af brændsel. De to manifold 42 og 44 er adskilt ved hjælp af en skillevæg 47·

Indføringsmanifolden 38 for iltningsmiddel udgør et enkelt, stort rum, som står i forbindelse med alle kammerets 30 åbninger 36. Iltningsmiddel, som ved denne udførelsesform er luft fra en ikke vist kilde, indføres til manifolden 38 via et rør 48 og forløber parallelt gennem alle celler via kamrene 30 til udføringsmanifolden 40, hvorfra gassen føres bort fra stabelen. Selv om der er vist en udførelsesform, hvor iltningsmiddel strømmer gennem cellerne og derefter føres bort, er dette ikke væsentligt for opfindelsen. Ved brandselsceller, hvor der anvendes for eksempel en basisk elektrolyt, kan iltningskammeret ende blindt, og der kan være midler til recirkulering af iltningsmidlet gennem cellerne. Disse andre udførelsesformer er således indeholdt i opfindelsen.

Brændselet, som ved denne udførelsesform er reformeret brint fra en ikke vist kilde, indføres til manifolden 42 via et rør 50, se fig. 1 og 3· Brandselsstrømningen er angivet ved pile 54. Indføringsmanifolden 42 for brændselet står kun i gasforbindelse med åbningerne 34 på den ene side af midterribben 32a, som fører ind til en del 28a af kammeret 28. Brændselet passerer parallelt hen over en del af alle anoderne via kamrene 28a, hvor denne del ved den viste udførelsesform omfatter halvdelen af hver elektrode.

Når gassen forlader kamrene 28a, blandes den i manifolden 46, hvorefter de delvis forbrændte gasser kombineres og føres tilbage gennem cellerne 12 via kamrene 28b på den anden side af midterribben 32. Brændselet strømmer derefter ud i udføringsmani 7 142297 folden 44 og fjernes fra stabelen via et rør 58. Det bemærkes, at en total blokering af den ene halvdel af et kammer 28 ikke indvirker på gasstrømmen til cellens anden halvdel, da hver halvdel fødes af en manifold, der er fælles for flere celler.

For at minimere den skadelige virkning af en blokering inden i en af kanalerne, som udgøres af ribberne 32, kan ribberne være forsynet med åbninger (med undtagelse af ribben 32a), således at gassen kan strømme på tværs af kanalerne 3^. Selv om reaktantgaskamrene ved den viste udførelsesform er opdelt i to ligé store dele, er dette ikke et krav for opfindelsen. Da gassen forbrændes mere og mere for hver passage gennem cellerne, kan det være ønskeligt at opdele kamrene således, at de dele af elektroden, som dækkes af på hinanden følgende gaspassager, bliver mindre og mindre. Dette træk er også ejendommeligt for opfindelsen.

Ved brændselsceller, hvor elektroderne er gasgennemtrængelige, som ved den viste udførelsesform, er anodens underlag porøst over for reaktantgassen, således at brændselet kan nå katalysatorlaget. Underlaget kan for eksempel være porøst kulstofpapir, som er imprægneret med en vandafvisende polymer, men det vil være nærliggende for en fagmand at anvende andre materialer. Ribben 32a kan ligge an mod elektrodeoverfladen over hele ribbens længde, og selv om ribben 32a opdeler brændselskammeret i to halvdele, kan der diffundere brændsel gennem underlaget fra den ene side af ribben til den anden. Dette virker imod hensigten med opfindelsen, hvormed der tilstræbes en ensartet brændselsfordeling for at kunne opnå den bedst mulige udnyttelse af brændselet. Ved den viste udførelsesform er underlaget 24 imprægneret med et vandsugende stof i et smalt bånd 60 (fig. 3), som flugter med midterribben 32a, som opdeler kammeret 28 i to halvdele. I modsætning til den øvrige del af underlaget 24, som er i hovedsagen vandafvisende, vil båndet 60 absorbere elektrolytten fra matrixen 22, som derfor fylder underlagets porer op, således at der ikke kan diffundere brændsel gennem båndet 60. Imprægneringsmaterialet må være forligeligt med elektrolytten og kan være en eller anden art vandsugende blanding i en egnet harpiks, såsom kulpulver i teflon. Dette eksempel er dog ikke begrænsende for opfindelsen.

Det kan også forekomme, at det ikke er nødvendigt at behandle 3 142297 underlaget på den beskrevne måde, hvis gasdiffusionen mellem de to halvdele ikke er særlig stor.

I fig. 4 er vist en anden udførelsesform for opfindelsen. Ved den udførelsesform indføres der ilt via en manifold 100 gennem et rør 102, hvilken ilt forløber på langs gennem cellerne i et enkelt stræk og ud i en manifold 104, hvorfra gassen føres bort via et rør 106. Med pile 108 er brændselets strømning angivet gennem en celle og stabelens forskellige manifolde. Den del af anoden, som vender bort fra elektrolytten, er angivet med henvisningstallet 110. Ved denne udførelsesform er anoden opdelt i fire dele angivet ved 110a, 110b, 110c og HOd. Delene eller sektionerne er adskilt ved hjælp af strimler 112 af vandsugende materiale af samme art som det i forbindelse med fig. 3 beskrevne bånd 60. Hver separatorplade omfatter en ribbe, som svarer til hver af strimlerne 112, således at brændselets gaskammer opdeles i fire sektioner. Brændselet træder først ind i den første manifold 114 via et rør 115 og passerer hen over overfladen 110a og ud i en første blandingsmanifold 116. Gassen fra alle cellerne kombineres i manifolden 116 og føres hen over overfladen 110b og til en anden blandingsmanifold 118. Her kombineres gasserne fra alle celler atter, hvorefter gassen føres henover overfladen 100c til en tredje blandingsmanifold.120, hvorfra gassen føres hen over den sidste del (overfladen HOd) af hver anode. Gasserne samles til sidst i en manifold 122 og udføres fra stabelen via et rør 124. Ud fra denne udførelsesform vil det være indlysende, at hver celle kan være opdelt i et hvilket som helst antal sektioner.

For at afgøre hvor mange sektioner en stabel til en bestemt anvendelse bør opdeles i, skal fordelene ved forøgelse af antallet af sektioner sættes i relation til en mere kompliceret stabel med manifold-system. Det vil også kunne forstås, at iltningsmidlet kunne ledes på den ovenfor beskrevne måde i stedet for brændselet, og det er ligeledes klart, at begge reaktantgasser kunne ledes på den beskrevne måde.

Claims (2)

1. Brændselscellestabel omfattende et antal brændselsceller, som er indbyrdes elektrisk serieforbundne, og hvor hver celle omfatter en anode og en katode og et derimellem beliggende elektrolytkammer, og omfatter et reaktantgaskammer i nærheden af anoden og et reaktantgaskammer i nærheden af katoden, samt hvor der findes indførings- og udføringsmanifoldorganer, som er fælles for antallet af brændselsceller, kendetegnet ved, at i det mindst ét af de nævnte gaskamre (28) i hver brændselscelle omfatter et eller flere barriereorgåner til opdeling af kamrene (28) i et antal hosliggende, ikke indbyrdes vekselvirkende kammer-sektioner, en første sektion (28a), en anden sektion (28b) osv., som hver omfatter indførings- og udføringsorganer, hvor indfø-ringsorganeme for de første sektioner (28a) står i forbindelse med en første fælles indføringsmanifold (42) til indføring af en reaktantgas parallelt i hver brændselscelles første kammersektion (28a), og hvor udføringsorganeme for de sidste kammer-sektioner står i forbindelse med en fælles udføringsmanifold (44), og at der findes en eller flere blandingsmanifolde (46...), som er indrettet til at forbinde udføringsorganerne for respektive kammersektioner (28a), bortset fra den sidste, med indføringsorganerne for andre, respektive kammersektioner (28b), bortset fra den første, således at udgangsgasserne fra visse af kammersektio-nemes udføringsorganer blandes og ledes parallelt ind i indfø-ringsorganeme for andre kammersektioner, hvorhos alle de nævnte manifoldorganer (42, 44, 46....) er indbyrdes serieforbundne for gasforbindelse via de nævnte kammersektioner (28a, 28b,....).

2. Brændselscellestabel ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de nævnte barriereorganer (32a) består af i det mindste én uafbrudt ribbe, som er sammenhængende med separatororganer (14), som er anbragt mellem to hosliggende brændselsceller (12), hvilken ribbe (32a) definerer en skillevæg mellem hver af de hosliggende kammersektioner (28a, 28b) i hvert af de nævnte re-