SE518621C2 - Struktur för en polymerbränslecell - Google Patents

Description

lm 15 20 25 30 51 s 621 ä? ZLI:..E': 2 En lösning på detta problem skulle kunna vara att använda tunnare membran, men detta sätt att angripa problemet har sin begränsning i att membranets mekaniska styvhet måste vara tillräcklig.

En arman lösning är att låta membranet stå i direkt vattenkontakt på anodsidan eflersom membranets vatteninnehåll och ledningsförmåga är mycket högre då membranet står i jämvikt med vatten. Då vätska förångas inuti bränslecellen kan dessutom en betydande del (40-50%) av värmen avlägsnas från cellen med den producerade vattenångan.

I US 5958613 (Hamada et al.) beskrivs en sådan direkt vattenbefiikming av bränslecellsmembran. I dokumentet beskrivs ett polymerbränslecellssystem med möjlighet att fiikta filmen av fast polymer utan någon speciell befuktare som befuktar bränslegasen eller oxidatorgasen, och som kyler ner huvuddelen av cellens kropp utan några kylkanaler. Patentet beskriver inga specifierade drifisprinciper för en bränslecellsstack när direkt befuktning används.

I US 5935726 (Chow et al.) beskrivs en metod och anordning för förbättrad befuktning av membran i polymerbränsleceller som innefattar en periodisk omvändning av oxidantströmmens flödesriktning genom bränslecellen. Detta patent berör dock inte kylning av bränslecellen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN: Trots omfattande försök att förbättra fördelningen av vatten i polymerbränsleceller finns det fortfarande ett behov av förbättringar.

Sålunda är syftet med föreliggande uppfinning att tillhandahålla medel för att åstadkomma en bättre befuktning, till en låg kostnad och utan att komplicera cellens uppbyggnad. En förbättrad fimktion skall ske till en rimlig kostnad.

I cellstrukturen i föreliggande uppfinning används en vattenfas, företrädesvis vatten, för direkt befuktning av membranet. Polymerbränslecellens uppfinningsenliga struktur innefattar ett protonledande membran, ett lager av anodkatalysator på ena sidan av membranet, ett lager av katodkatalysator på den motsatta sidan av membranet, och ett gasdiffusionsskikt på var sida 310 15 20 30 518 62 1 3 om membranet. Den kännetecknas av att anodsídans gasdiffiisionsskikt är en plan, porös konstruktion försedd med vattenkanaler i ytan som är vänd mot membranet, och att att anodsídans gasdiffiisionsskikt är omslutet i samma plan av en tätningsplatta med inloppskanaler för vatten kopplade till nämnda vattenkanaler i gasdiffusionsskiktet.

Härigenom är det möjligt att upprätthålla en direkt vattenkontakt med membranet på anodsidan. Detta är fördelaktigt för driften av cellen eftersom membranets vatteninnehåll och ledningsförmåga är mycket högre när membranet står i jämvikt med vatten. Då vatten förångas inuti cellen kan dessutom en betydande del av värmen som produceras i cellen avlägsnas från cellen medelst den producerade vattenångan.

KORT BESKRIVNING AV F IGURER: Uppfinningen kommer nedan att beskrivas ytterligare på ett icke-begränsande sätt under hänvisning till följande figurer där: ' Figur l är en perspektivsprängskiss som visar elementen i strukturen av en polymerbränslecell enligt uppfmningen, Figur 2 i en planvy från ovan- och undersida visar alla strukturelement i figur l, Figur 3 är ett snitt i större skala genom ett gasdiffusionsskikt inkluderat i strukturen i figur 1 och 2, Figur 4 visar en andra utföringsform av gasdiffusionsskiktet, Figur 5 visar en tredje utföringsfonn av gasdiffusionsskiktet, Figur 6 visar, på samma sätt som i figur 2, en altemativ utformning av strukturen, och Figur 7 visar ytterligare en utfornming av gasdiffusionsskiktet.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN En föredragen utföringsfonn av den uppfinningsenliga strukturen för en bränslecell visas i figur l och 2. Brånslecellen innefattar en ledande anodplatta 1. En tätningsram 2 för anoden är anordnad i anslutning till den bipolära plattan 1. Denna ram är försedd med en central, rekangulär öppning för anodsídans gasdiffusionsskikt 3. Ramen 2 är vidare försedd med inlopp 9 och utlopp 10 för anodgas, samt inlopp ll och utlopp 12 för vatten med tillhörande fördelningskanaler. Anodsidans gasdiffusionsskikt 3 är försett med ett flertal smala vattenkanaler 3a på, i förhållande till anodplattan 1, motsatt sida av skiktet 3. Ett protonledande membran 4 är anordnat att anslutas till plattan 1 i en sandwichkonstruktion med ramen 2 och gasdiffusionsskiktet 3 belägna däremellan. 15 20 30 518 621 4 Bränslecellens katodsida är uppbyggd på liknande sätt som anodsidan. Således år den motsatta sidan av membranet anordnat att anslutas till en ledande katodplatta 7 i en sandwichkonstruktion med en tätningsram 6 för katoden och katodens gasdiffusionsskikt 5 belägna däremellan. Katodsidans gasdiffusionsskikt 5 är, till skillnad från anodsidans gasdiffusionsskikt 3, inte försett med några vattenkanaler. Tåtningsramen 6 för katoden är försedd med ett katodgasinlopp 13 och ett katodgasutlopp 14.

I figur 2 visas den detaljerade uppbyggnaden av vattenkanaler och hur vattenfördelningen är organiserad i en stack. Vänstersidan av figuren visar ovansidan och högersidan av figuren visar undersidan.

Var tätningsram 2 i en stack är försedda med ett antal genomgående hål. Hålen som är belägna i hömen är avsedda för spännbultar som används vid sarmnansâttning av ett antal bränslecellsenheter till en bränslecellsstack. Resterande hål bildar, tillsammans med motsvarande hål i andra komponenter i stacken, kanaler genom stacken för vatten, bränslegas och oxidantgas.

Vidare har ovansidan (enligt deñnition ovan) av tätningen 2 gaskanaler 15 som går längs den inre kanten på den ramliknande strukturen. Ett antal fördelningsöppningar (i figuren fmns fem stycken) leder ut från var kanal 15 för att fördela den inkommande gasen till diffusions- /fördelningsmaterialet beläget i ramen. Det andra hålet från vänster (i figuren) i den övre raden av hål är inloppsskanalen 9 för inkommande gas, och det andra hålet från vänsteri den nedre raden av hål är utloppsskanalen 10 för gas som strömmar ut ur cellen på anodsidan.

Anodtätningen 2 har samma gaskanalskonfigumtion oavsett position i stacken.

På undersidan (enligt defmition ovan) av var tätning 2 finns vattenkanaler med ett gemensamt inlopp 11 och ett gemensamt utlopp 12.

I mitten av stacken är membranet 4 anordnat vilket separerar stackens anod och katoddelar. På katodsidan är ett gasdiffusionsskikt 5 anordnat och sedan följer en katodtätriing 6 vari katodgasinlopp 13 och katodgasutlopp 14 är bildade på ett liknande sätt som i anodtätningen 2. 10 15 20 jzs 30 518 621 5 Figur 3 visar en mer detaljerad uppbyggnad av ett gasdiffusionsskikt. Skiktet 3 är försett med vattenkanaler 3a i anslutning till membranet 4. I en typisk utföringsform av uppfinningen kan vattenkanalerna 3a ha en bredd av ungefär 50-100 um, ett djup av ungefär 100-300 um, och avståndet mellan kanalema kan vara ungefär 200-1000 pm. Genom att göra vattenkanalema smala undviks att kanalerna blockeras på grund av membranexpansion. En möjlig metod för tillverkning av kanalema 3a är att pressa gasdiffusionsskiktet mot en mönstermall med en struktur av räfflor som motsvarar den önskade vattenkanalsuukturen.

Figur 4 visar en utföringsform av uppfmningen där gasdiffusionsskiktet 3 är försett med ett katalysatorlager 16. Ett lager 17 av en icke-porös eller nästan icke-porös protonledande polymer är anordnat så att det täcker insidan av vattenkanalen.

I denna utföringsform kan väteperoxid eller en annan syreavgivande förening tillsättas till det befuktande och kylande vattnet som tillförs cellen från anodsidan. Eftersom syret avges i närheten av katalysatorn kan man på ett sätt som är effektivt och som förbrukar mindre syre undvika adsorption av CO på anodkatalysatom. En del av vâteperoxiden kommer att sönderdelas vid elektrodytan och generera syre enligt reaktionen H202 -> H20 + 1/2 02. I detta system erhålls möjliga fördelar med väteperoxid även om inte sönderdelningen är fullständig.

Hur väteperoxiden och utvecklat syre rör sig är markerat med pilar i figur 4. Denna metod kan likväl appliceras i andra system för direkt vattenbefuktning i polymerbrânsleceller.

Figur 5 visas ett gasdiffusionsskikt 3 vars kanter blivit behandlade med en hydrofob polymer för att förhindra vatten från att tränga in i cellens gaskammare. I denna struktur ñnns inga gaskanaleri de bipolära plattoma l, 7 eller i gasdíffusionsskikten 3, 5. Gasdiffusionsskikten kan ha en porositet som överstiger 90% och de bör vara goda elektriska ledare och ha lämplig korrosionsresistans mot sura protonledande membran.

Föreliggande uppfinning kan kombineras med den konventionella serpentinkanalssuukturen.

Principen för detta illustreras i figur 6. Samma referensnummer har använts som för utföringsformen enligt figur 2. Anodsidan på var bipolär platta 1, 7 kan förses med en anodgaskanal 19 och åtminstone ett vatteninlopp 20. Ett vattenutlopp 2] kan också anordnas.

Katodsidan på var bipolär platta är försedd med åtminstone en katodgaskanal 22. lm 15 20 518 621 6 En alternativ utformning för vattenkanalerna presenteras i figur 7. I denna utföringsfonn av a. -n uppfinningen är katalysatorlagret 16 beläget på membranet 4. Ett hydrofobt lager 18 är positionerat mellan membranet och gasdiffusionsskiktet. Detta lagers 18 funktion är att låta gas diffundera till elektroden (katalysatorlagret) men samtidigt hålla kvar vattnet i vattenkanalen 3a.

Utföringsformen enligt figur 7 kan användas för drift av bränsleceller som använder metanol (vätska-gas) som bränsle (Direct Methanol Fuel Cell). I en sådan utföringsform av uppfmningen förses cellens anodsida med en vätskeblandning av vatten och metanol vilken blandning helt eller delvis förångas i cellen. Vâtskeblandningen tillförs på ett sådant sätt att större delen av anodelektroden står i kontakt med en tunn film av en våtskeblandning av vatten och metanol. Den resterande ytan av anodelektroden står i kontakt med en gasfas fri fiån vätska. Detta för att möjliggöra både en snabb frigörelse av gasformig koldioxid och en befuktriing av membranet med vattenånga på resterande del av anodytan. Vatten och metanol fórs från bränsletillförselkanaler till anodelektroden både direkt och via gasfas. Detta illustreras med pilar i figur 7. Ovan beskrivna metod kan också appliceras i andra typer av . bränslecellsstrukturer som är direkt vätskekylda.

Vattenkanalsutfonnningen är lämpligen applicerad på anodsidan. Dock kan denna utformning likväl appliceras på katodsidan eller på båda sidor samtidigt.

Uppfmningen är inte begränsad till de ovan beslcivna utföringsformerna, utan en rad modifieringar är tänkbara inom ramen för de eflerföljande patentlaaven.

Claims (18)

518 621 7 Ny kravupgsätming PATENTKRAV:

1. Struktur för en polyrnerbränslecell, innefattande: ett protonledande membran (4); ett lager av anodkatalysator (l; 16) på ena sidan av membranet; ett lager av katodkatalysator (7) på den motsatta sidan av membranet; ett gasdiffusionsskikt (3, 5) på var sida om membranet (4) kännetecknad av att åtminstone ett av gasdiñhsionsskikten (3, 5) är en plan, porös konstruktion försedd med vattenkanaler (3a) eller vattenfaskanaler (3a) i ytan som är vänd mot membranet (4), och att det med vatten- eller vattenfaskanaler (3 a) försedda gasdiffusionsskiktet (3, 5) är omslutet i samma plan av en tätningsplatta (2, 6) med inloppskanaler för vatten eller vattenfas kopplade till nämnda vatten- eller vattenfaskanaler (3a) i gasdiffusionsskiktet.

2. Strukturenligtkrav 1, kännetecknad av att anodsidans gasdiffusionsskikt (3) är försett med nämnda vatten- eller vattenfaskanaler (3a).

3. Struktur enligt krav l eller 2, kännetecknad av att vatten- eller vattenfaskanalema (3a) har en bredd av ungefär 50-100 um.

4. Struktur enligt något av krav 1-3, kännetecknad av att vatten- eller vattenfaskanalema (3 a) har ett djup av ungefär 100-300 pm.

5. Struktur enligt något av krav 1-4, kännetecknad av att vatten- eller vattenfaskanalerna (3a) år separerade med ett avstånd av ungefär 200-1000 [MIL 518 621g_j=§jj¿¿__.= -=

6. Struktur enligt krav 2, kännetecknad av att katodsidans gasdiffiisionsskikt (5) âr en porös konstruktion som år omsluten i samma plan av en tätningsplatta (6).

7. Struktur enligt krav 6, kännetecknad av att katodsidans gasdifïusionsskikt (5) är försett med vatten- eller vattenfaskanaler (3a) i ytan som är vänd mot membranet (4), och att det är omslutet i sannna plan av en tätningsplatta (6) med inloppskanaler för vatten eller vattenfas kopplade till nämnda vatten- eller vattenfaskanaler (3a) i gasdiffiisionsskiktet.

8. Struktur enligt något av krav 1-7, kännetecknad av att vatten- eller vattenfaskanalerna (3a) är försedda med en hydrofob ytbeläggning.

9. Struktur enligt något av krav 1-8, kännetecknad av att en bipolär platta (l; 7) är belägen vid sidan av var tätningsplatta (2; 6) på ett avstånd från membranet (4).

10. Struktur enligt krav 9, kännetecknad av att var bipolär platta (l; 7) är försedd med ett lager av anodkatalysator på ena sidan och ett lager av katodkatalysator på andra sidan.

11. 1 1. Struktur enligt krav 10, kännetecknad av att katodkatalysatorsidan på var bipolär platta (l; 7) är försedd med åtminstone en katodgaskanal (22), och att anodkatalysatorsidan är försedd med en anodgaskanal (19) och åtminstone ett vatten- eller vattenfasinlopp (20).

12. Struktur enligt något av krav l-8, 518 621 s..=s..='-..-' " kännetecknad av att lagret av anodkatalysator (16) år beläget på anodsidans gasdiffusionsskikt (3).

13. Struktur enligt krav 12, kännetecknad av att lagret av katodkatalysator är beläget på katodsidans gasdiffiisionsskikt (5).

14. Struktur enligt krav 12 eller 13, kännetecknad av att vatten kvarhålls i vatten- eller vattenfaskanalerna (3a) medelst ett relativt icke-poröst lager (17) av ett protonledande material.

15. Struktur enligt något av krav 1-8, kännetecknad av att åtminstone ett av katalysatorlagren (16) är beläget på membranet (4).

16. Struktur enligt krav 15, kännetecknad av att ett annat katalysatorlager är beläget på gasdiffusionsskiktet på den motsatta sidan av membranet (4).

17. Struktur enligt krav 15 eller 16, kännetecknad av att vatten kvarhålls i vatten- eller vattenfaskana1er(3a) medelst ett relativt icke-poröst lager (18) av ett material med hög gaspermeabilitet.

18. Struktur enligt något av ovanstående krav, kännetecknad av att vattenfasen huvudsakligen utgörs av en blandning av vatten och metanol.