NL1026285C2 - Werkwijze voor het vervaardigen van een elektrochemische cel alsmede zo verkregen celstapeling. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het vervaardigen van een elektrochemische cel alsmede zo verkregen celstapeline.

? ; ' I' 1 ‘ ! De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een ' S stapel elektrochemische cellen, omvattende het voorzien in een ringvormig voorproduct van een membraan, het aan de binnen- en buitenzijde van die ring aanbrengen van een metallische elektrode en het omzetten van het ringvormige voorproduct tot een membraan/elektrolyt.

De ontwikkeling van elektrochemische cellen en meer in het bijzonder 10 brandstofcellen vordert steeds verder. Theoretische concepten worden omgezet naar praktisch werkzame cellen. Het blijkt daarbij dat door de eigenschappen van elektrochemische cellen constructieve problemen ontstaan. Immers elektrochemische cellen zijn in staat een behoorlijke stroom te leveren maar de bijbehorende spanning is verhoudingsgewijs laag. De gebruikte materialen zijn alle beperkt stroomgeleidend IS zodat indien de stroom van elektrochemische celstapeling te hoog wordt de weerstandsverliezen aanzienlijk zullen zijn waardoor het rendement van een cel afneemt. Daarom wordt ernaar gestreefd elektrochemische cellen zo veel mogelijk in serie te schakelen. Echter dient een dergelijke serieschakeling in een compacte ruimte verwezenlijkt te worden.

20 Een ander probleem vormt de productie van de elektrochemische cellen. Deze dient bij voorkeur zo eenvoudig mogelijk verwezenlijkbaar te zijn om de cel concurrerend te laten zijn ten opzichte van bestaande electriciteitsopwekkers.

Uit JP 2003338297 is het bekend een elektrochemische cel te vervaardigen met gebruik van een hulpbuis. Bovendien wordt in deze publicatie stand der techniek 25 beschreven, waarbij een dergelijke hulpbuis niet aanwezig is maar het elektrolyt als drager fungeert.

In de Europese aanvrage 1313162 A2 ten name van Willem Jan Oosterkamp wordt een celstapeling in een drukvat beschreven.

Het is het doel van de onderhavige uitvinding in een werkwijze te voorzien 30 waarmee het op eenvoudige wijze mogelijk is een celstapeling of andere constructie te verwezenlijken. Dit doel wordt verwezenlijkt bij een werkwijze voor het vervaardigen van een stapel elektrochemische cellen, waarbij die omzetting in situ onder druk wordt uitgevoerd, waarbij die celstapel omgeven wordt door een vulmateriaal. Door het 1026285- 2 gebruik van een ringvormig membraan/elektrolytdrager kan in een bijzonder compact volume een elektrochemische cel en meer in het bijzonder een brandstofcel verwezenlijkt worden. Productie is op eenvoudige wijze mogelijk doordat op het ringvormige voorproduct de anode en kathode aangebracht worden waarna 5 bijvoorbeeld door verhoging van de druk en eventueel temperatuur en/of oxidant het ringvormige voorproduct zich omzet tot het membraan/elektrolytdrager. Een materiaal dat daarvoor bijzonder geschikt is is zirkonium dat in aanwezigheid van zuurstof naar zirkoniumoxide omgezet wordt Eventueel wordt dit gestabiliseerd met yttrium of andere stabilisatoren. De elektroden kunnen in het bijzonder als dunne laag op de als 10 elektrodedrager fungerende zirkoniumring aangebracht worden. Daarbij kan platina voor een of beide elektroden gebruikt worden. Dit kan in een dikte van enkele μ aangebracht worden.

De celstapeling kan volgens de onderhavige uitvinding verwezenlijkt worden door een aantal zo verkregen ringen op elkaar te stapelen waarbij steeds de anode van een cel IS dient als kathode van de volgende cel. Daardoor kan bij het op elkaar stapelen van een aantal ringen bijzonder eenvoudig een serieschakeling verkregen worden. Een dergelijke constructie laat zich bijzonder efficiënt in een drukvat plaatsen. De ruimte tussen de wanden van het drukvat en de binnenruimte van de cel wordt gevuld met een vulmateriaal. De porositeit van dit vulmateriaal kan afhankelijk zijn van de positie 20 daarvan in het drukvat. Bij voorkeur is de porositeit dichtbij de elektrode hoog om gastransport niet te belemmeren. Eveneens kan de specifieke afmeting van de deeltjes gewijzigd worden afhankelijk van de afstand tot het membraan. Dichtbij het membraan zal de “korrelgrootte” verhoudingsgewijs klein zijn om het kwetsbare membraan zo doelmatig mogelijk te ondersteunen. Op wat grotere afstand kan het gebruikte 25 vulmateriaal een grotere specifieke diameter hebben. Begrepen dient te worden dat het vulmateriaal niet noodzakelijkerwijze bolvormig dient te zijn. Zoals aangegeven worden anode van een cel en kathode van een volgende cel met elkaar gekoppeld Dit kan door lassen gebeuren, door het uitvoeren als een doorgaande materiaalstrook of door het tegen elkaar aanleggen van de betreffende elektroden.

30 De onderhavige uitvinding zal hieronder nader aan de hand van in de tekening afgebeëlde uitvoeringsvoorbeelden verduidelijkt worden. Daarbij toont:

Fig. 1 een eerste uitvoering van een elektrochemische cel volgens de uitvinding; 1026285- 3

Fig. 2 de elektrochemische cel volgens fig. 1 in de dwarsdoorsnede volgens lijn Π-Π; en

Fig. 3 een verdere uitvoering van een elektrochemische cel volgens de uitvinding.

5 In fig. 1 is met 1 een elektrochemische cel aangegeven. Deze is opgenomen in een gestippeld afgebeeld drukvat 2. De elektrochemische cel bestaat uit een ringvormig membraan 3 uit ziikoniumoxide. Aan zirkonium kan yttrium (5-10%) toegevoegd worden voor stabilisatie daarvan (YSZ). Uit fig. 2 blijkt dat het membraan ringvormig is. Tegen het ringvormige membraan 3 zijn een kathode 5 en een anode 6 geplaatst. De 10 overige ruimte in het drukvat 2 is gevuld met een vulling 4. Het blijkt dat de vulling op grotere afstand van het membraan 3 een grotere specifieke diameter of afmeting heeft Van de kathode 5 en anode 6 zijn slechts beperkte gebieden elektrisch geleidend en gasdoorlatend. Het poreuze actieve gebied van de kathode 5 is gearceerd en met 7 aangegeven terwijl het actieve poreuze gebied van de anode met 8 aangegeven is en 15 eveneens gearceerd.

Boven cel 1 is een verdere cel schematisch aangebracht. Het blijkt dat de kathode 5 in de volgende cel als anode fungeert. Daardoor kan een enkel metallisch deel zowel als anode en kathode fungeren. Daardoor is een serieschakeling van een aantal cellen in het drukvat 2 eenvoudig te verwezenlijken. Het ringvormige voorproduct van het later 20 verkregen membraan 3 dat als elektrolytedrager fungeert wordt verkregen door het in situ produceren daarvan. Uitgegaan wordt van een niet of gedeelteli jk geoxideerd materiaal zoals zirkonium en door het verhogen van de temperatuur bij toevoeging van zuurstof ontstaat het gewenste zirkoniumoxidemembraan. De hierboven beschreven elektroden zijn reeds aanwezig.

25 Eventueel kan een inwendig verwarmingselement aanwezig zijn voor het opstarten van het proces en eventueel het handhaven van de gewenste temperatuur. Aan een temperatuur van ongeveer 1200°C wordt de voorkeur gegeven voor het proces. Het "laatste" membraan van een serie is in fig. 1 met 9 aangegeven. Dit is voorzien van een omzetstuk 10 dat afdichtend rust op een eindplaat 22. Daar wordt in afdichting 30 voorzien. Via de eindplaat 22 wordt zowel centraal als in het gebied liggend buiten de ring 9 gas toegevoerd.

1026285- 4

De door verhitting ontstane uitzetting wordt door het drukvat opgenomen. Dat wil zeggen de cel en de celstapeling bestaande uit een aantal cellen zijn tijdens , bedrijfstemperatuur onder aanzienlijke druk opgenomen in drukvat 2.

‘ Γ 1 ‘ ; De actieve gebieden van de elektrode zijn in fig. 1 doorgetrokken getekend.

i 5 Vanzelfsprekend zijn daarin op enigerlei wijze uitsparingen aangebracht voor de doorgang van reactant zoals brandstofgas en lucht/zuurstof. De betreffende gassen worden door de vulling geleid. Daaxbij wordt centraal het brandstofgas zoals methaan toegevoegd. Daarbij is het mogelijk de porositeit van de vulling afhankelijk van de positie in het drukvat te variëren.

10 Een en ander is zodanig uitgevoerd dat naar mate het membraan 3 benaderd wordt het vulmateriaal een kleinere gemiddelde diameter heeft. Daardoor wordt het membraan beter ondersteund. Eveneens kan de poreusheid gevarieerd worden om de aanvoer en afvoer van de reactanten te optimaliseren. Op grotere afstand van het membraan is de porositeit lager en wordt meer ondersteuning verleend.

15 De bewegingsbaan van de gassen kan enige voorstelbare zijn maar is bij voorkeur in tegenstroom. De koude reactant aan een zijde wordt daarbij verhit door de warmere reactant aan de andere zijde. Door verandering van de wanntegeleidingseigenschappen van het vulmateriaal kan de temperatuur van het membraan 3 beïnvloed worden. Bij voorkeur is dit zodanig dat de temperatuur daarvan 20 zo hoog mogelijk is. Door aan het vulmateriaal metallische componenten toe te voegen kan de geleiding geoptimaliseerd worden. Hetzelfde geldt door toepassing van vulmateriaal met verschillende porositeit en verschillende afmeting. In de tekening is de dikte van de anode/kathode overdreven afgebeeld. In de praktijk kan met een dikte van enkele p’s volstaan worden. Daardoor is het mogelijk voor de anode en kathode 25 verhoudingsgewijs kostbare materialen, bijvoorbeeld metalen op basis van de platinareeks te gebruiken.

Met de onderhavige uitvinding is het mogelijk een groot aantal membraanringen 3,9 in een drukvat te plaatsen. Als voorbeeld wordt een aantal van 100 stuks genoemd. Door deze steeds in serie te schakelen kan de stroomdoorgang beperkt worden terwijl 30 een hoge spanning gerealiseerd kan worden.

In fig. 3 is een variant van de onderhavige uitvinding afgebeeld. Een cel is in het geheel met 1 aangegeven en het betreffende membraan met 13. De vulling is met 14 aangegeven terwijl de kathode met 15 en de anode met 16 aangegeven is. Het actieve 1026285- 5 gebied van de kathode heeft verwijzingscijfer 17 terwijl het poreuze gebied van de anode verwijzingscijfer 18 heeft. Uit dit figuur blijkt dat niet langer van een i doorlopende Z-vormige configuratie sprake is maar dat de anode van de onderste cel in 1 ' ; contact is met de kathode van de daarboven liggende cel.

: ! ' > 5 Met de onderhavige uitvinding is het mogelijk door het achter elkaar plaatsen volgens de hartlijn daarvan van een aantal ringen met dezelfde afmetingen bij het daartussen plaatsen van anode/kathode een serie schakeling te verwezenlijken. Een en ander kan bijzonder eenvoudig verwezenlijkt worden door het in situ omvormen van groene ringen tot membraan/elektrolytdrager.

10 Na het lezen van bovenstaande zullen er bij de vakman duidelijk varianten opkomen die voor de hand liggend zijn en liggen binnen het bereik van de bijgaande conclusies.

1028285-

Claims (9)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een stapel elektrochemische cellen, omvattende het voorzien in een ringvormig voorproduct van een membraan, het aan de 5 binnen- en buitenzijde van die ring aanbrengen van een metallische elektrode en het omzetten van het ringvormige voorproduct tot een membraan/elektrolyt, met het kenmerk, dat die omzetting in situ onder druk wordt uitgevoerd, waarbij die celstapel omgeven wordt door een vulmateriaal.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij dat voorproduct zirkonium omvat en die omzetting oxidatie.

3. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij tenminste een van die elektroden platinamateriaal omvat. 15

4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarbij dat platinamateriaal poreus is.

5. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij een aantal ringen op elkaar gestapeld wordt en de anode van de ene cel elektrisch verbonden wordt met 20 de kathode van de daar aangrenzende cel.

6. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die omzetting bij een temperatuur boven 1100°C wordt uitgevoerd.

7. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij dat vulmateriaal overeenkomt met het materiaal van het ringvormige voorproduct

8. Stapel elektrochemische cellen (1, 21), waarbij elke cel omvat een ringvormige anode (6,16), ringvormig membraan (3,13) en ringvormige kathode (5,15), waarbij de 30 anode van een cel direct verbonden is met de kathode van de volgende cel en omvattende een inwendig verwarmingselement. 1026285-

9. Celvormling voor een stapel elektrochemische cellen, omvattende een ringvormige anode, ringvormig deel niet geoxideerd zirkoniummateriaal en , ringvormige kathode. I i I , I ' 1026285*