NL1019397C2 - Brandstofcelstapel in een drukvat. - Google Patents

Description

Brandstofcelstapel in een drukvat.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een brandstofcelstapel omvattende een aantal aangrenzend aan elkaar en tegen elkaar liggende in een drukvat aangebrachte 5 elektrochemische cellen, elk omvattende een anode, kathode en een daartussen aangebracht membraan.

Een dergelijke brandstofcelstapel is bekend uit WO 01/71842A2.

Elektrochemische cellen worden gebruikt voor het omzetten van chemische in elektrische energie in een brandstofcel. Dit gaat met lage energieverliezen gepaard 10 indien deze omzetting bij hoge temperaturen plaats vindt. Een hoge temperatuur brandstofcel kan gevormd worden door een met Ytrium gestabiliseerd zirkoniumoxide membraan tussen twee poreuze elektrische geleiders te plaatsen. Indien aan de ene kant van de brandstofcel de partiele zuurstofdruk hoger is dan aan de andere kant zal er door het zirkoniumoxide membraan een transport van zuurstofionen plaats vinden. Wanneer 15 de elektrische geleiders naast het membraan in een elektrisch circuit geplaatst zijn zal er een elektrische stroom gaan vloeien. Het verschil in partiele zuurstofdruk kan gerealiseerd worden door aan de ene kant van het membraan een gasvormig oxidant te laten stromen en aan de andere kant een gas met affiniteit voor zuurstof. Het verschil in partiele zuurstofdruk kan vergroot worden door het oxidant onder een hogere totaal 20 druk te geven dan het gas met een affiniteit voor zuurstof.

De zuurstofionenstroom door het membraan, bij een gegeven verschil in de partiele zuurstofdruk, neemt bij hogere temperaturen toe. Ook dit spreekt ervoor een zo hoog mogelijke temperatuur na te streven. Alleen een beperkt aantal metalen zijn toepasbaar bij hoge temperaturen in zowel een oxiderende als een reducerende 25 omgeving. Metalen hebben verder het nadeel dat zij een andere uitzettingscoefficient hebben als zuurstofionen geleidend membraan.

Het is daarom wenselijk keramische materialen te gebruiken voor de brandstofcellen en meer in het bijzonder voor de poreuze elektrische geleiders hetzelfde keramische materiaal te gebruiken als dat van het ionen geleidende membraan en dit 30 door toevoegingen elektrisch geleidend te maken. De toevoeging kan homogeen door het materiaal gemengd zijn, maar kan ook een eigen discrete struktuur in het poreuze materiaal vormen (door bijvoorbeeld keramiek bolletjes met een metaal te omgeven).

101939 7, 2

Hierdoor zal de uitzettingscoefficient van de geleiders vrijwel hetzelfde zijn als die van het membraan en zullen thermische spanningen homogeen verdeeld zijn.

Een nadeel van keramische materialen is hun brosheid en de lage toelaatbare trekspanning.

5 In WO 01/71842A2 kan de celstapel in een richting in een vat onder druk geplaatst worden. Bovendien is een uitwendig werkende jukconstructie aanwezig. Daarmee kan het hierboven beschreven probleem van brosheid niet volledig opgelost worden.

Het is het doel van de onderhavige uitvinding toepassing van keramische 10 materialen in brandstofcellen te bevorderen en de daarmee samenhangende nadelen zoals de brosheid en de lage toelaatbare trekspanning weg te nemen.

Dit doel wordt bij een hierboven beschreven brandstofcelstapel verwezenlijkt doordat die brandstofcelstapel met klempassing in dat drukvat is opgenomen waarbij die brandstofstapel alzijdig op dat drukvat afsteunt. Door het nauwsluitend opnemen 15 van de brandstofcelstapel in een drukvat zal bij de hogere temperatuur waarbij dergelijke keramische brandstofcellen in het algemeen werken, door de uitzetting van de brandstofcelstapel, het keramische materiaal daarvan onder druk gezet worden door contact met de vatwand. Daardoor kan de mechanische belasting aanzienlijk vergroot worden zonder het gevaar van scheurvorming en mogelijke lekkages met alle 20 schadelijke gevolgen van dien.

Bij voorkeur is het vat een langwerpig vat en zijn de cellen eveneens langwerpig uitgevoerd. De cellen liggen bij voorkeur naast elkaar in een centraal compartiment van het vat. Dit centrale compartiment wordt begrensd door aan weerszijden aangebrachte eindcompartimenten welke gebruikt kunnen worden voor de toevoer en 25 afvoer van reactanten.

Bij voorkeur stromen de reactanten in tegenstroom om de temperatuur binnen de elektrochemische cellen en zo binnen het vat zo homogeen mogelijk te houden. De uittredende warme reactanten kunnen daarbij de intredende in het algemeen koudere reactanten opwarmen.

30 Desondanks kan niet vermeden worden dat de uittredende reactanten aanzienlijke thermische energie bevatten. Deze kan met behulp van een turbine omgezet worden naar mechanische energie. Deze mechanische energie kan bijvoorbeeld gebruikt 1 0 1 b b 9 3 worden voor het opwekken van elektriciteit maar kan ook gebruikt worden voor het verdichten van de intredende reactanten.

Methaan is een veel gebruikte brandstof in de elektriciteitsopwekking. Dit gas heeft een lage affiniteit voor zuurstof bij de temperaturen waarvan hier sprake is.

5 Bovendien zal een gedeelte van dit gas uiteenvallen in vast koolstof en waterstof. De vaste koolstof zal de poriën van het toestel kunnen verstoppen. Door toevoeging van kooldioxide zal het methaan bij de hoge heersende temperaturen partieel geoxideerd worden tot koolmoxide en waterstof. Beide gassen hebben een hoge affiniteit voor zuurstof. Afhankelijk van de keuze van het keramisch materiaal kan het nodig zijn de 10 concentratie kooldioxide zover op te voeren dat er geen waterstof gevormd wordt uit de partiele oxidatie van methaan.

Biogas gevormd uit de vergisting van organisch materiaal is een gas dat ongeveer 50% kooldioxide bevat. Het is dan ook geschikt als voeding voor onderhavige uitvinding.

15 Er bestaat een toenemende zorg over het broeikaseffect, dat veroorzaakt wordt onder andere door het kooldioxide dat vrij komt bij de verbranding van fossiele brandstoffen. Bij de afvoer van deze uitvinding heeft kooldioxide een hoge concentratie. Het is dan ook relatief eenvoudig dit kooldioxide verder te scheiden van het aanwezige koolmonoxide en waterdamp en het door koeling en compressie in 20 vloeibare vorm te doen over te gaan. De vloeistof kan dan in lege aardgas- of olievelden worden opgeslagen.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van een in de tekeningen afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld verduidelijkt worden. Daarbij tonen: fig. 1 zeer schematisch een brandstofcel van een celstapel volgens de uitvinding; 25 fig. 2 een aantal brandstofcellen volgens de uitvinding; fig. 3 schematisch in dwarsdoorsnede de brandstofcelstapel volgens de uitvinding aangebracht in een drukvat; en fig. 4 een schakeling is voor de afVoer van reactant en de toevoer van reactanten.

De in fig. 1 afgebeelde brandstofcel bestaat uit een halfgeleidende poreuze staaf 30 zirkoniumoxide, omgeven door een alleen zuurstofionen geleidende dun membraan zirkoniumoxide 2. Het geheel is ingeklemd in een matrix van halfgeleidend poreus zirkonium 3. Deze matrix wordt onder compressie gehouden door een metalen vat 4 fig. 2 dat thermisch en elektrisch geïsoleerd is van de matrix door een laag 1019397 4 zirkoniumoxide dat niet geleidend is en geen open porositeit heeft 5. Axiaal wordt de matrix geïsoleerd door een membraan 6 fig. 3 van zirkoniumoxide dat alleen voor zuurstofionen geleidend is en een laag poreuze geleidend zirkoniumoxide 7. Het bovenste gedeelte van de staafjes 1 is niet omgeven door een isolerend membraan maar 5 kan elektrisch contact maken met de laag 7 poreus geleidend zirkoniumoxide. Aan het metalen vat 4 zijn aansluitingen aangebracht voor de toevoer van gas met affiniteit voor zuurstof 8 en voor de afvoer 9 van dit gas dat gedeeltelijk geoxideerd is in de brandstofcellen 1. Aan het vat 4 is ook een toevoer 10 en afvoer 11 voor het gasvormig oxidant aangesloten. De toevoer van het gas met een hoge affiniteit voor zuurstof en de 10 toevoer van het gasvormige oxidant zijn tevens voorzien van metalen elektrische geleiders die een verbinding van het toestel met een extern stroomcircuit vormen.

Een typische schakeling om de, bij thermodynamische verliezen, vrijkomende thermische energie in elektriciteit om te zetten wordt gegeven in fig. 4. Hierbij is 12 de toevoer voor de oxidant, 13 het toestel waarop deze uitvinding betrekking heeft, 14 een 15 compressor voor de oxidant, 15 een elektrische generator en 16 een expander. Het elektrisch rendement kan verder verhoogd worden door na de expander een stroomketel te schakelen. De gevormde stoom kan in een stoomturbine met gekoppelde generator in elektriciteit worden omgezet. Deel van de uitvinding is het de gevormde stoom naar de brandstofcel terug te voeren en in de brandstofcel te doen verhitten. De stoom zal dan 20 samen met de rest van de oxidant de expander 16 aandrijven, waardoor de opgewekte hoeveelheid elektriciteit van de generator groter wordt.

1 0 i,: 5 ë .

Claims (14)

1. Brandstofcelstapel omvattende een aantal aangrenzend aan elkaar en tegen elkaar liggende in een drukvat aangebrachte elektrochemische cellen, elk omvattende een 5 anode, kathode en een daartussen aangebracht membraan, met het kenmerk, dat die brandstofcelstapel met klempassing in dat drukvat is opgenomen, waarbij die brandstofcelstapel alzijdig op dat drukvat afsteunt.

2. Brandstofcelstapel volgens conclusie 1, waarbij die elektrochemische cellen 10 langwerpige cellen omvatten, met een eerste hartlijn, dat vat een cilindrisch vat met een tweede hartlijn omvat, en waarbij die cellen met de eerste hartlijn in hoofdzaak evenwijdig aan die tweede hartlijn in dat vat aangebracht worden.

3. Brandstofcelstapel volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de 15 buitenbegrenzing van die cellen zeskantig is.

4. Brandstofcelstapel volgens conclusie 2, waarbij nabij de kopse einden van die cellen elektrolyt aangebracht is.

5. Brandstofcelstapel volgens conclusie 2, waarbij nabij de kopse einden van die cellen aan/afvoeren voor gas aangebracht zijn.

6. Brandstofcelstapel volgens een van de voorgaande conclusies in combinatie met conclusie 2, waarbij de toevoer/afvoer van een reactant van de elektrochemische cel in 25 de richting van die eerste hartlijn van de binnenste van die buisvormige kathode of anode van elke elektrochemische cel plaatsvindt en de toevoer/afvoer van de andere reactant van die elektrochemische cel in hoofdzaak vanaf het uitwendige van de buitenste van die kathode of anode van elke elektrochemische cel plaatsvindt.

7. Brandstofcelstapel volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het membraan een electrolyt omvat. 1019397

8. Brandstofcelstapel volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die brandstofcellen SOFC cellen omvatten.

9. Brandstofcelstapel volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij in dat 5 drukvat drie compartimenten begrensd zijn, een centraal compartiment voor het opnemen van die elektrochemische cellen met aan weerszijden daaraan grenzende compartimenten voor het aanvoeren/afvoeren van reactanten.

10. Brandstofcelstapel volgens conclusie 9, waarbij ten minste een van die 10 compartimenten met poreus zirkoniumoxide gevuld is.

11. Brandstofcelstapel volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij in de afvoer voor reactant een turbine opgenomen is, welke mechanisch verbonden is met een compressor die in de inlaat voor reactanten opgenomen is. 15

12. Brandstofcelstapel volgens conclusie 11, waarbij die turbine met een elektrische generator gekoppeld is.

13. Werkwijze voor het bedrijven van een brandstofcelstapel omvattende een aantal 20 aangrenzende elektrochemische cellen, elk omvattende een anode, kathode en een deze scheidend membraan, waarbij een oxidant en een brandstof toegevoerd worden en bij de elektrochemische reactie vrijkomende producten afgevoerd worden, met het kenmerk, dat tijdens bedrijf onderdelen van de brandstofcel alzijdig onder mechanische druk gebracht worden. 25

14. Werkwijze volgens een van de conclusies 12 of 13, waarbij een samenstel van die aangrenzende cellen bij een eerste lage temperatuur nauw passend in een drukvat gebracht wordt, welke eerste lage temperatuur tenminste 200° C onder een tweede hogere temperatuur ligt, die de bedrijfstemperatuur van die brandstofcellen omvat. 30 "* 0 1 'j ί