NL9300870A

NL9300870A - Fuel cell construction.

Info

Publication number: NL9300870A
Application number: NL9300870A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 1993-05-19
Filing date: 1993-05-19
Publication date: 1994-12-16
Also published as: AU6858794A; WO1994027334A1

Description

Brandstofcelconstructie.Fuel cell construction.

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.The present invention relates to a fuel cell comprising successively an electrolyte plate, an anode, optionally anode current distributing means, anode gas distributing means, a separator plate, cathode gas distributing means, optionally cathode power distributing means and a cathode, with gas supply on the periphery. and gas discharge means are provided connected to the gas distribution means of the anode and cathode and comprising channels extending perpendicularly to the electrode surface formed by openings in the various said parts.

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.Such a fuel cell is known from European patent application EP-A1-0 40810. It describes a separator plate construction on which metal distribution plates are mounted using flanges. The openings for limiting the gas channels are provided near the mounting of the flanges with the separator plate. Special spring means are present to absorb the shrinkage of the electrode that occurs during heating and during operation. It has been found that a large number of steps are necessary to assemble such a fuel cell requiring very cumbersome and accurate positioning of the different parts relative to each other during manufacture, pressing or welding. This is to ensure that the transition from the gas distributing means to the channels is gastight. After all, gas leakage can lead to unwanted and dangerous situations.

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.The object of the present invention is to simplify the connection between the supply and discharge channels for the various gases and the gas distribution means in the fuel cell.

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.This object is achieved with a fuel cell described above, in that at least one of said gas distribution means is included in a distribution plate extending around it, which distribution plate is provided with said openings which delimit the channels, recesses in the distribution plate being provided, the corresponding of which connect openings to the gas distributing means. According to the invention, a distribution plate is provided which extends along the circumference of the gas distribution means. The openings extend over the entire thickness of the distribution plate, through which the channels for supplying resp. discharges of the gases are formed. Locations are provided locally between these openings and the gas distribution means for supplying gas to the cell.

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.Only sealing of the distribution plate with respect to the upper and lower plate is important due to the above-mentioned construction. Such a seal can easily be constructed in all ways known in the prior art. It is possible to make the distribution plate higher according to a further embodiment of the invention, so that in addition the current distribution means and / or the electrode, if present, can be accommodated in the space bounded by the distribution plate. This has the advantage that less external seals are necessary. On the other hand, gas leakage to the relevant electrode or the relevant current distribution means has no adverse effect. The distribution plate can be constructed in all ways imaginable in the prior art. This can for instance consist of a single metal part. It can also be built up in layers.

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.If the distribution plate also includes the electrode, it is preferably formed from a single material part with properties such that thickness changes of the electrode and other parts arranged therein can be monitored. In this way, electrical contact can always be guaranteed. These properties relate in particular to the physical properties, such as porosity, sealing and shrinkage / creep behavior. In particular, the cathode shrinkage which occurs, for example, at high temperature carbonate fuel cells can be monitored and, on the one hand, sufficient sealing can be provided to the outside, while on the other hand sufficient contact of the anode and cathode with the electrolyte plate and the separator plate is ensured. By using a specific ceramic material such as in the electrolyte plate, which can absorb the liquid carbonate in a carbonate cell and provides sealing by means of it to the adjacent surfaces, the complicated construction according to European application 0 408 104 can be avoided.

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.According to a further advantageous embodiment of the invention, a cover plate is arranged between the distribution plate and the electrolyte plate. Thereby, support is provided in the case where the recesses of the distribution plate extend over an essential surface.

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.The construction described above can preferably be used with a high temperature carbonate fuel cell. However, it is well conceivable to use such a construction with other fuel cells, such as a "Solid Oxide Fuel cell" (S.O.F.C.) or a "Polymer Exchange Membrane" (P.E.M) cell. It goes without saying that the material of the distribution plate must be adjusted. As the material of the distribution plate when used in a carbonate cell, porous lithium alluminate can be mentioned. However, as indicated above, other materials are conceivable. Electrolyte plate in a carbonate cell means the matrix plate provided with electrolyte, while in a "S.O.F.C." and the "P.E.M." cell the plate the actual electrolyte is low.

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.With the construction according to the invention it is possible in a very simple manner to vary the thickness of the distribution plate. As a result, the gas distribution means, such as a corrugation, can also be varied in height in a simple manner. This is particularly important when catalyst material, for example in the form of granules, or other provisions are applied.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van een in de tekening afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld verduidelijkt worden. Daarbij toont:The invention will be explained in more detail below with reference to an illustrative embodiment shown in the drawing. Thereby shows:

Fig. 1 uiteengenomen een aantal gestapelde cellen volgens de uitvinding;Fig. 1 disassembled a number of stacked cells according to the invention;

Fig. 2 in dwarsdoorsnede volgens de lijn II-II uit fig. 4 de celsta-pel in samengestelde toestand;Fig. 2 in cross section along the line II-II of FIG. 4, the cell stack in the assembled state;

Fig. 3 in dwarsdoorsnede volgens de lijn III-III uit fig. 4 de cel-stapel in samengestelde toestand; enFig. 3 is a cross-sectional view taken on the line III-III of FIG. 4 in the assembled cell stack; and

Fig. 4 een bovenaanzicht van de celstapel vanaf de anodeplaat.Fig. 4 is a top view of the cell stack from the anode plate.

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.Fig. 1 shows cut-away part of a stack of cells. A complete cell is indicated by 1. In Figs. 1-3, such a cell consists from top to bottom of a metal separator plate 7, a cathode corrugation 8, a cathode current collector plate 9 * and a cathode 10. The generated current is transmitted from the separator plate 7. Thereby, the parts forming the cathode are accommodated within an opening recessed within the cathode distribution plate 11 and cover plate 2. Cover plate 2 follows matrix plate 13 · In a carbonate cell, this consists, for example, of aluminum aluminate and is impregnated with carbonate melt. This ceramic matrix in which the electrolyte is incorporated results in a combination of sufficient strength and a low internal cell resistance for ion conduction in the liquid state of the carbonate. A cover plate 2 follows to the matrix plate 13, to which an anode distribution plate 3 connects. Within the opening delimited in the cover plate 2 and the anode distribution plate 3, the anode 4, which is in contact with the matrix plate 13 during operation, an anode current collector plate 5 and anode corrugation 6, are successively incorporated. The various parts of the actual electrodes 4 and 10 are very porous to allow the passage of gases thereby. As shown in Fig. 1, openings are provided in the various plates extending up to the periphery of the cell. All this is shown more clearly in Fig. 4. The openings which form channels 16 serve for the supply of carbonate. During operation or during heating, it may be desirable to supply carbonate to provide the various plates with carbonate or to supplement carbonate losses.

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.Comparison of Figs. 2 and 4 shows that in addition to the through channels 16, there are channels 21-24 which communicate with the different parts of the cell via recesses 17-20. More specifically, FIG. 2 shows a channel 23 for the supply of anode gas via recess 18 provided in the anode distribution plate. This gas is discharged through recesses 19 which communicate with channels 21. Channel 22 serves to supply cathode gas through recesses 20, which cathode gas is discharged through recesses 17 to channels 24. As can be seen from Fig. 2, the anode corrugation 6 in this example a catalyst 14. After the relevant gases have been supplied through the through channels and the recesses in the respective distribution plate, distribution over the relevant anode or cathode can take place in any manner known in the art. By using an electrolyte absorbent porous ceramic material, leakage can be prevented along the various plates and in particular the distribution plate. A possible shortage is supplemented by the supply of electrolyte through the openings 16.

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.The cover plate is used to define the recesses in the distribution plate and to support the matrix plate 13 on site. With a carbonate cell described above, the distribution plate is preferably manufactured from the same material as the matrix plate and is impregnated with electrolyte. I.e. that the properties under pressure are such that the shrinkage in particular of the cathode arising during heating and during operation can be monitored, while on the other hand sufficient sealing can be provided with the adjacent parts of the cell. Such a seal is achieved in particular by the presence of the electrolyte which provides a seal at the interfaces. At the same time as this seal, sufficient contact pressure must be provided in the interior of the cell to ensure that the electrode is in sufficient contact with the underlying current collector plate and any corrugation.

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.No connections between the plates are necessary, which means that expensive joining techniques such as welding can be dispensed with. Leakage of process gases along the active area is no longer possible, while short-circuiting between adjacent separator plates is excluded because the distribution plate, as described above, is made of a non-conductive material. Moreover, it is easy to increase such a construction from laboratory scale to production scale. Upscaling problems do not seem to exist.

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.It is to be understood that the invention has been described above with reference to a preferred embodiment and that numerous modifications can be made without departing from the scope of the present application. It is possible to design the cathode and / or anode assemblies in a manner other than described above. It is also possible to use an integrated layered structure for the electrolyte layer with one or both electrodes. It is also possible to conduct the gas flows in directions other than those indicated. A further possibility is to integrate the separator plate with gas distribution means for the anode and / or for the cathode. It is also possible to integrate the cover plates and the distribution plates. It is also possible for one or more parts of the electrode assemblies to extend to the periphery of the cell. All these changes are within the scope of the appended claims.

Claims

Fuel cell comprising successively an electrolyte plate plate, an anode, optionally anode current distributing means, anode gas distributing means, a separator plate, cathode gas distributing means, optionally cathode current distributing means, a cathode and an electrolyte plate gas supply and gas discharge means are provided connected to the gas distribution means of the anode and cathode and comprising channels extending perpendicularly to the electrode surface formed by openings in the various said parts, characterized in that at least one of the gas distribution means is included in a dividing plate (3) extending around it, said dividing plate being provided with said openings delimiting the channels, recesses being present in the dividing plate connecting the respective of said openings to the gas distributing means.

Fuel cell according to claim 1, wherein the current distribution means and / or the electrode, if present, are included in the distribution plate.

Fuel cell according to any of the preceding claims, wherein the distribution plate comprises a single piece of material, with physical properties such that thickness changes in the parts comprised by the distribution plate can be monitored.

Fuel cell according to any of the preceding claims, wherein the distribution plate comprises a single piece of material, with physical properties corresponding to the material of the electrolyte plate.

Fuel cell according to claim 3 or 4, wherein the physical properties comprise: porosity, sealing capacity and shrinkage / creep behavior.

Fuel cell according to one of the preceding claims, wherein a cover plate (2) is arranged between the distribution plate and the electrolyte plate (13).