NL9300870A - Brandstofcelconstructie. - Google Patents

Description

Brandstofcelconstructie.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een brandstofcel omvattende achtereenvolgens een electrolytplaat, een anode, eventueel stroomverdeelmiddelen voor de anode, gasverdeelmiddelen voor de anode, een separatorplaat, gasverdeelmiddelen voor de kathode, eventueel stroomverdeelmiddelen voor de kathode en een kathode, waarbij aan de omtrek gastoevoer- en gasafvoermiddelen zijn aangebracht, verbonden met de gasverdeelmiddelen van de anode en kathode en omvattende zich loodrecht op het elektrodeoppervlak uitstrekkende kanalen gevormd door openingen in de verschillende genoemde onderdelen.

Een dergelijke brandstofcel is bekend uit de Europese octrooiaanvrage EP-A1-0 408 lOk. Daarin wordt een separatorplaatconstructie beschreven waarop metallische verdeelplaten met behulp van flenzen aangebracht zijn. Nabij de bevestiging van de flenzen met de separatorplaat zijn de openingen voor het begrenzen van de gaskanalen aangebracht. Bijzondere veermid-delen zijn aanwezig om de krimp van de elektrode die ontstaat tijdens het opwarmen en tijdens bedrijf op te nemen. Gebleken is, dat een groot aantal stappen noodzakelijk is om een dergelijke brandstofcel te assembleren waarbij zeer omslachtige en nauwkeurige positionering van de verschillende delen ten opzichte van elkaar tijdens de vervaardiging, het persen of het lassen, noodzakelijk is. Dit om te verzekeren dat de overgang van de gasverdeelmiddelen naar de kanalen gasdicht is. Immers gaslekkage kan tot ongewenste en gevaarlijke situaties leiden.

Het doel van de onderhavige uitvinding is de aansluiting tussen de aan- en afvoerkanalen voor de verschillende gassen en de gasverdeelmiddelen in de brandstofcel eenvoudiger uit te voeren.

Dit doel wordt bij een hierboven beschreven brandstofcel verwezenlijkt, doordat tenminste een van die gasverdeelmiddelen is opgenomen in een zich daaromheen uitstrekkende verdeelplaat, welke verdeelplaat voorzien is van die openingen die de kanalen begrenzen, waarbij uitsparingen in de verdeelplaat aanwezig zijn, die de betreffende van die openingen met de gasverdeelmiddelen verbinden. Volgens de uitvinding wordt in een verdeelplaat voorzien die zich langs de omtrek van de gasverdeelmiddelen uitstrekt. Over de volledige dikte van de verdeelplaat strekken zich de openingen uit waardoor de kanalen voor het toevoeren resp. afvoeren van de gassen gevormd worden. Plaatselijk zijn uitsparingen aanwezig tussen deze openingen en de gasverdeelmiddelen om gas aan de cel toe te voeren.

Uitsluitend afdichting van de verdeelplaat ten opzichte van de bovenliggende en onderliggende plaat is van belang door de hierboven genoemde constructie. Een dergelijke afdichting kan eenvoudig op alle in de stand der techniek bekende wijzen worden uitgevoerd. Het is mogelijk de verdeelplaat volgens een verdere uitvoering van de uitvinding hoger uit te voeren zodat bovendien in de ruimte begrensd door de verdeelplaat de eventueel aanwezige stroomverdeelmiddelen en/of de elektrode daarin kunnen worden opgenomen. Dit heeft als voordeel dat minder uitwendige afdichtingen noodzakelijk zijn. Anderzijds heeft gaslekkage naar de betreffende elektrode of de betreffende stroomverdeelmiddelen toe geen nadelig effekt. De verdeelplaat kan op alle in de stand der techniek voorstelbare wijzen zijn opgebouwd. Deze kan bijvoorbeeld uit een enkel metalen deel bestaan. Eveneens kan deze laagsgewijs zijn opgebouwd.

Indien de verdeelplaat eveneens de elektrode omvat, is deze bij voorkeur gevormd uit een enkel materiaaldeel met zodanige eigenschappen dat dikteveranderingen van de elektrode en andere daarin aangebrachte delen gevolgd kunnen worden. Op deze wijze kan elektrisch contact steeds gewaarborgd worden. Deze eigenschappen betreffen in het bijzonder de fysische eigenschappen, zoals poreusheid, afdichtendheid en krimp/kruip-gedrag. Daardoor kan met name de kathodekrimp die bijvoorbeeld voorkomt bij hoge temperatuur carbonaatbrandstofcellen gevolgd worden en enerzijds in voldoende afdichting naar buiten worden voorzien terwijl anderzijds voldoende contact van de anode en kathode met de electrolytplaat en de separatorplaat gewaarborgd wordt. Door hiervoor een soortelijk keramisch materiaal te gebruiken als in de elektrolytplaat, dat bij een carbonaat-cel het vloeibare carbonaat kan opnemen en met behulp daarvan in afdichting naar de aangrenzende vlakken voorziet, kan de gecompliceerde constructie volgens de Europese aanvrage 0 408 104 vermeden worden.

Volgens een verdere van voordeel zijnde uitvoering van de uitvinding is tussen de verdeelplaat en de electrolytplaat een afdekplaat aangebracht. Daardoor wordt in ondersteuning voorzien in het geval waarin de uitsparingen van de verdeelplaat zich over een wezenlijk oppervlak uitstrekken.

De hierboven beschreven constructie kan bij voorkeur worden toegepast bij een bij hoge temperatuur werkende carbonaat brandstofcel. Het is echter goed denkbaar een dergelijke constructie toe te passen bij andere brandstofcellen, zoals een "Solid Oxide Fuel cell" (S.O.F.C.) of een "Polymer Exchange Membrane" (P.E.M) cel. Vanzelfsprekend dient het materiaal van de verdeelplaat aangepast te worden. Als materiaal van de ver- deelplaat bij toepassing in een carbonaatcel kan poreus lithiumalluminaat genoemd worden. Andere materialen zijn, zoals hierboven reeds aangegeven, echter voorstelbaar. Onder electrolytplaat wordt bij een carbonaatcel de matrixplaat verstaan voorzien van electrolyt terwijl bij een "S.O.F.C." en de "P.E.M."-cel de plaat de eigenlijke electrolyt laag is.

Met de constructie volgens de uitvinding is het op bijzonder eenvoudige wijze mogelijk de dikte van de verdeelplaat te variëren. Daardoor kunnen de gasverdeelmiddelen, zoals een corrugatie, eveneens op eenvoudige wijze worden gevarieerd worden in hoogte. Dit is met name van belang indien katalysatormateriaal, bijvoorbeeld in de vorm van korrels, of andere voorzieningen worden aangebracht.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van een in de tekening afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld verduidelijkt worden. Daarbij toont:

Fig. 1 uiteengenomen een aantal gestapelde cellen volgens de uitvinding;

Fig. 2 in dwarsdoorsnede volgens de lijn II-II uit fig. 4 de celsta-pel in samengestelde toestand;

Fig. 3 in dwarsdoorsnede volgens de lijn III-III uit fig. 4 de cel-stapel in samengestelde toestand; en

Fig. 4 een bovenaanzicht van de celstapel vanaf de anodeplaat.

In fig. 1 is opengewerkt een deel van een stapel cellen getoond. Een volledige cel is met 1 aangegeven. Een dergelijke cel bestaat in de figuren 1-3 van boven naar beneden gezien uit een metalen separatorplaat 7· een kathodecorrugatie 8, een kathodestroomcollectorplaat 9* en een kathode 10. Vanaf de separatorplaat 7 wordt de opgewekte stroom doorgegeven. Daarbij zijn de delen die de kathode vormen opgenomen binnen een opening uitgespaard binnen de kathodeverdeelplaat 11 en afdekplaat 2. Op afdekplaat 2 volgt matrixplaat 13· Deze bestaat bij een carbonaatcel bijvoorbeeld uit 1ithiumaluminaat en wordt met carbonaatsmelt geïmpregneerd. Door deze keramische matrix waarin het electrolyt opgenomen is, ontstaat een combinatie van voldoende stevigheid en een lage interne celweerstand voor ionengeleiding in vloeibare toestand van het carbonaat. Op de matrixplaat 13 volgt weer een afdekplaat 2 waarop een anodeverdeelplaat 3 aansluit. Binnen de opening begrensd in de afdekplaat 2 en de anodeverdeelplaat 3 zijn achtereenvolgens opgenomen de anode 4 die tijdens bedrijf in contact is met de matrixplaat 13, een anodestroomcollectorplaat 5 en anodecorrugatie 6. De verschillende delen van de eigenlijke elektroden 4 en 10 zijn zeer poreus uitgevoerd om de doorgang van gassen daardoor mogelijk te maken. Zoals blijkt uit fig. 1 zijn in de verschil- lende platen die zich tot aan de omtrek van de cel uitstrekken openingen aangebracht. Een en ander is in fig. 4 duidelijker weergegeven. Daarbij dienen de openingen die kanalen 16 vormen voor de toevoer van carbonaat. Tijdens bedrijf of tijdens het opwarmen kan het wenselijk zijn carbonaat toe te voeren om de verschillende platen te voorzien van carbonaat hetzij carbonaatverliezen aan te vullen.

Bij vergelijking van fig. 2 en 4 blijkt dat behalve de doorgaande kanalen 16 kanalen 21-24 aanwezig zijn die via uitsparingen 17-20 in verbinding staan met de verschillende delen van de cel. Meer in het bijzonder is in fig. 2 een kanaal 23 getekend voor de toevoer van anodegas via uitsparing 18 aangebracht in de anodeverdeelplaat. Dit gas wordt afgevoerd via uitsparingen 19 die in verbinding staan met kanalen 21. Kanaal 22 dient voor de toevoer van kathodegas via uitsparingen 20 welk kathodegas afgevoerd wordt via uitsparingen 17 naar kanalen 24. Zoals blijkt uit fig. 2 bevat de anodecorrugatie 6 in dit voorbeeld een katalysator 14. Na aanvoer van de betreffende gassen door de doorgaande kanalen en de uitsparingen in de betreffende verdeelplaat kan verdeling over de betreffende anode of kathode op elke in de stand der techniek bekende wijze plaatsvinden. Door toepassing van een elektrolyt absorberend poreus keramisch materiaal kan voorkomen worden dat lekkage langs de verschillende platen en in het bijzonder de verdeelplaat plaatsvindt. Door de toevoer van elektrolyt door de openingen 16 wordt een eventueel tekort aangevuld.

De afdekplaat wordt toegepast om de uitsparingen in de verdeelplaat te begrenzen en de matrixplaat 13 ter plaatse te ondersteunen. De verdeelplaat wordt bij een hierboven beschreven carbonaatcel bij voorkeur vervaardigd uit hetzelfde materiaal als de matrixplaat en wordt met elec-trolyt geïmpregneerd. D.w.z. dat de eigenschappen onder druk zodanig zijn, dat de krimp met name van de kathode ontstaande tijdens opwarmen en tijdens bedrijf gevolgd kan worden terwijl anderzijds in voldoende afdichting met de aangrenzende delen van de cel voorzien kan worden. Een dergelijke afdichting wordt in het bijzonder verwezenlijkt door de aanwezigheid van het electrolyt dat in een afdichting aan de grensvlakken voorziet. Gelijk met deze afdichting moet in voldoende contactdruk in het inwendige van de cel voorzien worden om te waarborgen dat de elektrode in voldoende contact staan met de onderliggende stroomcollectorplaat en eventueel de corrugatie.

Geen verbindingen tussen de platen zijn noodzakelijk waardoor dure verbindingstechnieken zoals lassen kunnen vervallen. Lekkage van proces- gassen langs het actieve gebied is niet meer mogelijk terwijl kortsluiting tussen naburige separatorplaten uitgesloten is omdat de verdeel-plaat, zoals hierboven beschreven is van een niet-geleidend materiaal, gemaakt is. Bovendien is het eenvoudig een dergelijke constructie vanaf laboratoriumschaal naar produktieschaal te vergroten. Opschalingsproble-men lijken niet te bestaan.

Begrepen moet worden dat de uitvinding hierboven aan de hand van een voorkeursuitvoering beschreven is en dat talrijke wijzigingen aangebracht kunnen worden zonder buiten het bereik van de onderhavige aanvrage te geraken. Het is mogelijk de kathode- en/of anodesamenstellen op andere wijze dan hierboven beschreven uit te voeren. Tevens is het mogelijk om een geïntegreerde gelaagde structuur toe te passen voor de electrolytlaag met een of beide electrodes. Ook is het mogelijk de gasstromen in andere dan de aangegeven richtingen te geleiden. Een verdere mogelijkheid is de separatorplaat te integreren met gasverdeelmiddelen voor de anode en/of voor de kathode. Eveneens is het mogelijk de afdekplaten en de verdeel-platen te integreren. Eveneens is het mogelijk dat een of meer delen van de elektrodesamenstellen zich tot de omtrek van de cel uitstrekken. Al deze wijzigingen liggen binnen het bereik van de hierbij gevoegde conclusies.

Claims (5)

1. Brandstofcel omvattende achtereenvolgens een electrolytplaat-plaat, een anode, eventueel stroomverdeelmiddelen voor de anode, gasver-deelmiddelen voor de anode, een separatorplaat, gasverdeelmiddelen voor de kathode, eventueel stroomverdeelmiddelen voor de kathode, een kathode en een electrolytplaat, waarbij aan de omtrek gastoevoer- en gasafvoer-middelen zijn aangebracht, verbonden met de gasverdeelmiddelen van de anode en kathode en omvattende zich loodrecht op het elektrodeoppervlak uitstrekkende kanalen gevormd door openingen in de verschillende genoemde onderdelen, met het kenmerk, dat tenminste een van de gasverdeelmiddelen is opgenomen in een zich daaromheen uitstrekkende verdeelplaat (3), welke verdeelplaat voorzien is van die openingen die de kanalen begrenzen, waarbij uitsparingen in de verdeelplaat aanwezig zijn, die de betreffende van die openingen met de gasverdeelmiddelen verbinden.

2. Brandstofcel volgens conclusie 1, waarbij de eventueel aanwezige stroomverdeelmiddelen en/of de elektrode in de verdeelplaat opgenomen zijn.

3. Brandstofcel volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de verdeelplaat een enkel deel materiaal omvat, met zodanige fysische eigenschappen dat dikteveranderingen in de door de verdeelplaat omvatte onderdelen kunnen worden gevolgd.

4. Brandstofcel volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de verdeelplaat een enkel deel materiaal omvat, met fysische eigenschappen die overeenkomen met het materiaal van de electrolytplaat.

5. Brandstofcel volgens conclusie 3 of 4, waarbij de fysische eigenschappen omvatten: poreusheid, afdichtend vermogen en krimp/kruipgedrag.

5· Brandstofcel volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij tussen de verdeelplaat en de elektrolytplaat (13) een afdekplaat (2) is aangebracht.