NL2002113C - Sofc-stack met gegolfde separatorplaat. - Google Patents

Description

SOFC-stack met gegolfde separatorplaat

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een SOFC-celeenheid resp. celstapeling. Een dergelijke constructie is bijvoorbeeld bekend uit het Nederlandse 5 octrooi 1026861 of WO 2006/019295. Daarbij wordt uitgaande van een eigenlijke cel bestaande uit anode, elektrolyt en kathode met aan de anodezijde een constructie bestaande uit twee sleuvenplaten gebruikt om bij het verspringend op elkaar leggen van die sleuven in gaskanalen voor het anodegas te voorzien.

Aan de kathodezijde wordt bij deze bekende constructie een rasterconstructie 10 toegepast bestaande uit een tweetal platen omvattende een current collector en een gasvcrdcclclcmcnt (strckmctaal). Bovendien wordt gebruik gemaakt van een hulpplaat waarin sleuven aangebracht zijn voor de zijdelingse toevoer van kathodegassen en openingen voor de verticale doorvoer van anodegassen.

Hoewel deze celeenheid in principe voldoet heeft deze een aantal nadelen. Ten 15 eerste is het aantal componenten verhoudingsgewijs groot. Behalve dat dit tot verhoging van de productiekosten leidt, ontstaan daardoor problemen bij de afdichting. Immers elke component kent een tolerantie en indien een aantal componenten gestapeld wordt kan de totale tolerantie zodanige vormen aannemen dat afdichting niet eenvoudig is.

20 Het is het doel van de onderhavige uitvinding in een vereenvoudigde celeenheid te voorzien waarmee het mogelijk is een bijzonder hoog rendement te behalen onder zeer goed beheersbare omstandigheden. Bovendien is een doel van de uitvinding het aantal elektrische overgangen en zo de weerstand van de cel te verbeteren. Een betere gasverdeling wordt eveneens nagestreefd in het bijzonder een betere verdeling van het 25 anodegas en kathodegas. Bovendien wordt beoogd de afdichting eenvoudiger uit te voeren waardoor lekkage met name in een celstapel minder waarschijnlijk wordt.

Dit doel wordt verwezenlijkt met een celeenheid met de eigenschappen van conclusie 1.

Als eerste stap wordt volgens de onderhavige uitvinding voorgesteld de uit de 30 stand der techniek bekende separatorplaten niet langer vlak uit te voeren maar van een golving of corrugatie te voorzien. De ruimte tussen de corrugaties dient als kanaal voor hetzij anodegas of kathodegas. Volgens de onderhavige uitvinding wordt deze corrugatie zodanig uitgevoerd dat deze direct tegen de anode of kathode kan liggen. Daardoor wordt een aantal onderdelen van het bestaande concept overbodig te weten de 2 hierboven beschreven twee sleuvenplaten aan de anodezijde en het strekmetaal aan de kathodezijde. Daardoor ontstaat een veel compactere celeenheid die eenvoudiger af te dichten is omdat de toleranties die de afdichting op moet nemen kleiner zijn. Bovendien zijn er minder elektrische overgangen, waardoor de prestatie van de 5 celeenheid hoger zal zijn.

Bovendien is door het verplaatsen van het anode gastoevoerkanaal naar de zijkant van de cel de anode en kathode gasverdeling over de cel verbeterd.

Bij deze bijzondere uitvoering worden anodegas en kathodegas (resp. de afvoer daarvan) aan verschillende zijden van de in hoofdzaak rechthoekige cel toegevoerd 10 maar vindt stroming volgens deze corrugatic plaats. Meer in het bijzonder is deze verplaatsing co-flow zodat optimaal rendement van de cel verkregen kan worden. Dat wil zeggen de temperatuurverdeling is geoptimaliseerd evenals de mate van uitputting (uniform) van het gebruikte (anode)gas. Daardoor kan een hoge omzetting en zo een hoog rendement verkregen worden. Toevoer van kathodegas kan zowel plaatsvinden 15 via in de separatorplaten aangebrachte op elkaar liggende openingen (bij kleine celstapelingen) als met behulp van een zich buiten de celeenheid bevindende toevoer/afvoer (bij grote celstapelingen). In het laatste geval (external manifolding) kan een bijzondere grote hoeveelheid kathodegas over de cel geleid worden waardoor het kathodegas behalve de elektrochemische functie ook een koclfunctic heeft. Kathodegas 20 kan in overmaat toegevoerd worden. De hier beschreven cel kan zowel anode gedragen als elektrolyt gedragen zijn.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een SOFC-celstapel waarin een aantal celeenheden zoals hierboven beschreven op elkaar gestapeld zijn en welke gemeenschappelijke separator platen omvatten.

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

Fig. 1 schematisch de verschillende delen voor het vormen van een celeenheid;

Fig. 2 meer in detail een separatorplaat met cel en afdichtingen;

Fig. 3 de kathodegastoevoerplaat in detail in bovenaanzicht; 30 Fig. 4 de kathodegastoevoerplaat in onderaanzicht;

Fig. 5 een variant van de in de eerdere figuren getoonde constructie, en

Fig. 6 een bijzondere uitvoering van de in fig. 5 getoonde variant.

3

In fig. 1 is een celeenheid in het geheel met 1 aangegeven. Zoals blijkt uit fig. 6 wordt deze bij voorkeur verenigd met een groot aantal andere celeenheden om zo een cel stapel te vormen.

De eigenlijke cel wordt gevomid door elektrolyt 9 dat enerzijds begrensd wordt 5 door anode 8 en anderzijds begrensd wordt door kathode 10. Volgens de uitvinding zijn aan weerszijden van de eigenlijke celeenheid separatorplaten 3 aanwezig waarbij de bovenste separatorplaat 3 rechtstreeks aansluit op de kathode 10 en de onderste separatorplaat 3 rechtstreeks aansluit op de anode 8. Dat wil zeggen tussen de separatorplaat en de anode resp. kathode bevinden zich geen verdere onderdelen. 10 Eventueel is tussen de kathode 10 en de betreffende separatorplaat 3 een current collectorplaat 35 aanwezig. Het oppervlak van de kathode 10 en meer in het bijzonder de buitenomtrek daarvan is kleiner dan dat van het elektrolyt 9 en/of anode 8. Daardoor kan een pakking 11 op elektrolyt 9 geplaatst worden waarbij daarbinnen kathode 10 omsloten wordt, Bij de aanwezigheid van een current collectorplaat 35 wordt deze 15 eveneens binnen de afdichting 11 omsloten. Deze afdichting 11 voorziet in een gasafdichting tussen het anodegas en kathodegas.

Om gastransport en elektronentransport mogelijk te maken is de separatorplaat 3 volgens de uitvinding op bijzondere wijze uitgevoerd. Deze bestaat bij de uitvoering getoond in fig. 1-4 uit een aan de omtrek vlakke plaat met in het midden daarvan een 20 corrugatie 17. Het oppervlak van de corrugatie 17 komt overeen met het oppervlak van de anode. Omdat het oppervlak van de kathode kleiner is dan van de anode en de corrugatie zich aan weerszijden van separatorplaat 3 uitstrekt zal het oppervlak van de corrugatie groter zijn dan dat van de kathode. Aan de omtrek van separatorplaat 3 zijn anodegastoevoerZ-afvoeropeningen 4 aanwezig en loodrecht daarop, d.w.z. in de 25 richting van het verlengde van de corrugaties 17 kathodegastoevoer/-afvoeropeningen 14. Tussen twee separatorplaten wordt een kathodegastoevoerplaat 15 geplaatst. Deze is voorzien van een inwendige opening 36 voor het daarbinnen ontvangen van stroomafnemer 35.

Zoals uit het bovenaanzicht van fig. 3 blijkt is deze aan een zijde voorzien van 30 kathodegaskanalen 57 terwijl, zoals uit fig. 4 blijkt de onderzijde van deze kathodegastoevoerplaat 15 vlak uitgevoerd is. Zoals uit de fig. 1 en 2 blijkt is een aantal afdichtingen aanwezig. Ringvormige afdichting 12 sluiten de kathodegaskanalen 14 af. Een verdere afdichting 37 is aanwezig voor het afdichten van de anodegaskanalen 4.

4

Echter om stroming van anodegas mogelijk te maken is een binnenliggend deel van deze afdichting aangegeven met 38 vrij eindigend uitgevoerd. Transport van anodegas vindt volgens pijlen 7 plaats.

Op openingen 4 sluit steeds een verdeelstuk 6 aan. Dat wil zeggen loodrecht op 5 de richting waarin het anodegas toegevoerd wordt, wordt dit door de hierboven beschreven corrugaties 57 langs de anodezijde van de cel bewogen. Omdat separatorplaat 3 bij voorkeur een metallische plaat is waarin de corrugaties ingedrukt zijn hebben de corrugaties aan weerszijden van de plaat in hoofdzaak dezelfde positie en dezelfde richting (bijvoorbeeld langsrichting). Het is mogelijk door de vorm van de 10 corrugatic te beïnvloeden de dwarsdoorsncdcafmcting van de kathodcgaskanalcn enigszins groter (bijvoorbeeld 10-50% groter) uit te voeren dan de dwarsdoorsnedeafmeting van het anodegas. Immers het kathodegas kan naast de elektrochemische functie bovendien de functie van koelgas hebben.

Het kathodegas kan in diezelfde richting bewegen als het anodegas. Het gebruikte 15 afdichtmateriaal kan enig in de stand der techniek bekend materiaal zijn. Volgens een voorbeelduitvoering van de uitvinding wordt daarvoor een glasmateriaal en meer in het bijzonder een glas-keramiekmateriaal gebruikt. Eventueel zijn combinaties met mica mogelijk.

Met de onderhavige uitvinding is het mogclijk dc anode- cn kathodcopcning in 20 onderling loodrecht positie aan te brengen waardoor de openingsdwarsdoorsnede voor elk van die openingen zo groot mogelijk uitgevoerd kan worden waardoor zo gering mogelijke stromingsweerstand en een zo gelijkmatig mogelijke verdeling van gassen mogelijk is. Bij voorkeur is de stroming van anode en kathodegas in dezelfde richting (co-flow) waardoor de werking van de cel geoptimaliseerd wordt. Bovendien is het op 25 deze wijze mogelijk de uitvoering van de verschillende afdichtingen zoveel mogelijk te vereenvoudigen en het aantal afdichtingen en de lengte daarvan te beperken hetgeen de bedrijfszekerheid vergroot.

In fig. 5 is schematisch aan aantal mogelijkheden voor de anodegasstroming getoond.

30 Fig. 5a toont de uitvoering weergegeven in de fig. 1-4 waarbij het anodegas via een enkele opening 4 en een enkel verdeelstuk 6 over de hele breedte van de separatorplaat verdeeld, door de corrugaties 17 stroomt naar een tegenoverliggend verdeelstuk 6 en via de bijbehorende opening 4 weer afgevoerd wordt.

5

Fig. 5b toont een variant waarbij het kanaal 4 opgesplitst is in twee kanalen 44 en 45 waarbij kanaal 44 een toevoerkanaal is en kanaal 45 een afvoerkanaal is. Het gas wordt bij deze uitvoering via verdeelstuk 6 symmetrische aan en afgevoerd, waardoor de anode gasverdeling over de cel een verbeterde unifomiiteit zal hebben.

5 Bij grotere celstapelingen is het mogelijk de toevoer van kathodegas via een buitenliggend verdeelstuk uit te voeren. Bij een dergelijke uitvoering worden de in de eerdere figuren getoonde kathodegasopeningen 14 niet meer in de separatorplaat 3 opgenomen. Dat wil zeggen bijvoorbeeld bij de uitvoering zoals getoond in fig. 1 wordt de buitenbegrenzing van de seperatorplaat gevormd door de buitenbegrenzing van de 10 afdichting 37. Daardoor kan een bijzonder compacte cclccnhcid verkregen worden, waarbij het kathodegas via een buitenliggend verdeelstuk aangevoerd wordt. Een dergelijke variant kan ook gebruikt worden bij de stroming zoals weergegeven is in fïg. 5b. Dit is als voorbeeld in fig. 6 getoond. Aan de anodezijde is daarbij een afdichting aanwezig tussen de onderste celeenheid en de anode gastoevoer opening 21 en de 15 anode gasafvoer opening 22. Aan de kathodezijde zijn de corrugaties naar de omgeving open via kanalen 57 (zie fig. 1).

Een groot aantal celeenheden is op elkaar gestapeld en vormt een celstapel 27. De kathodegassen worden via een gesloten kast 26 toegevoerd. De celstapel 27 verdeelt deze kast in ccn kathodcgastocvocrvcrdcclruimtc 29 en een 20 kathodegasafvoerverdeelruimte 29 waarbij de laatste ruimte voorzien is van een afvoeropening 24. Anodegas wordt toegevoerd via opening 21 en afgevoerd via opening 22. Deze openingen komen uit in openingen 4 zoals hierboven beschreven. De uitvoering van fig. 6 heeft als voordeel dat op eenvoudige wijze grote hoeveelheden kathodegas (lucht) doorgevoerd kunnen worden zodat dit een koelende functie kan 25 hebben.

Na het bovenstaande zullen bij degene bekwaam in de stand der techniek dadelijk varianten opkomen welke liggen binnen het bereik van de bijgesloten conclusies en voor de hand liggend zijn na het bovenstaande. Bovendien worden uitdrukkelijke rechten gevraagd voor hetgeen beschreven is in de afhankelijke conclusies zonder 30 combinatie met conclusie 1.

Claims (11)

1. SOFC-celeenheid (1) welke in hoofdzaak rechthoekig is uitgevoerd, omvattende een anode (8), een elektrolyt (9) en een kathode (10), gasstroomverdeelmiddelen 5 voor de anode- en kathodegassen met het kenmerk dat die gasstroom verdeelmiddelen omvat een gecorrugeerd deel in het middendeel daarvan, waarbij de kanalen van die corrugatie voor het transport van anode- resp. kathodegas dienen, waarbij die corrugatie direct aanligt tegen hetzij de anode hetzij de kathode, waarbij de separatorplaat omvat een anode-inlaatopening en aan de 10 tegenoverliggende zijde een anodc-uitlaatopcning, waarbij op de anode- inlaatopening een anode-inlaatkanaal aansluit en op de anode-uitlaatopening een anode-uitlaatkanaal aansluit, gevormd door de openingen in en afdichtingen op de separatorplaat.

2. Celeenheid volgens conclusie 1, waarbij zowel de anode als kathode direct tegen de corrugatie aanliggen.

3. Celeenheid volgens conclusie 2, waarbij er een current collector tussen de kathode cn dc corrugatie is aangebracht. 20

4. Celeenheid volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de anodegastoevoerZ-afvoer en kathodegastoevoerZ-afvoer aan verschillende zijden van die eenheid resp. separatorplaat zijn aangebracht.

5. Celeenheid volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de anode-inlaat en kathode-inlaat zodanig zijn aangebracht dat een co-flow van anode en kathodegassen verwezenlijkt wordt.

6. Celeenheid volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de kathode-inlaat 30 en kathode-uitlaat een van de celeenheid gescheiden deel omvat (fig. 6).

7. Celeenheid volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die corrugatie een zich van het middenvlak van de seperatorplaat naar weerszijden van die separatorplaat (3) uitstrekkend golfpatroon omvat, waarbij de dwarsdoorsnedeafmeting van de door de corrugatie begrensde kanalen voor de kathodegaskanalen ten minste 10% groter is dan de dwarsdoorsnedeafmeting van de anodegaskanalen. 5

8. Cel volgens conclusie 7, waarbij die corrugatie een deformatie omvat.

9. Celeenheid volgens een der voorgaande conclusies omvattende een tussen twee separatorplaten (3) aangebrachte, de anode, elektrolyt, kathode en de kathode 10 gastocvocrplaat.

10. Celeenheid volgens een der voorgaande conclusies omvattende uitsluitend een tussen de separatorplaten (3) en de kathodegasverdeelplaat (15) werkende afdichting (37) en een tussen de kathode (18) en separatorplaat (3) werkende 15 afdichting (11).

11. Celstapel omvattende een aantal celeenheden volgens een van de voorgaande conclusies opgenomen in een behuizing (27) voorzien van een kathodcgastocvocrvcrdcclstuk (29) en een kathodcgasafVocrvcrdcclstuk (29).