NL8901800A - Separatorplaat voor toepassing in een gasbrandstofcel, welke een verzameling electroden omvat, alsmede stapeling van brandstofcellen. - Google Patents

Description

Separatorplaat voor toepassing in een gasbrandstofcel, welke een verza¬meling electroden omvat, alsmede stapeling van brandstofcellen.

t

De uitvinding heeft betrekking op een separatorplaat voor stape¬ling van brandstofcellen van het gesmolten carbonaattype voorzien vanopeningen voor brandstoftoevoer en brandstofafvoer en voor toevoer enafvoer van oxydatiemiddel, alsmede op een stapeling van brandstofcellenvan het gesmolten carbonaattype die deze separatorplaten bevatten.

Een dergelijke separatorplaat is bekend uit het Amerikaanse oc-trooischrift 4.604.331, waarin een separator wordt beschreven, diebestaat uit een vlakke plaat met twee afsluitende flensen die op tegen¬overliggende zijden zijn aangebracht en opwaarts en naar deze zelf zijnteruggebogen en aan de twee overige eveneens tegenover elkaar gelegenzijden van de plaat zijn voorzien van soortgelijke flensen, die echterbenedenwaarts zijn gebogen. Elk van de afsluitende flensen bestaat uiteen vlakke wand die op enige afstand van de plaat nagenoeg evenwijdigdaaraan loopt en twee accordeonsgewijze geplooide zijwanden waarvan eende vlakke wand met de plaat verbindt en de ander op kleine afstand vande plaat eindigt, waarbij deze zijwanden een veerkrachtige samendruk¬baarheid aan de afsluitflens verlenen in de richting in het algemeenloodrecht op het vlak van de plaat. Vier hoekelementen sluiten de eindenvan de afsluitflensen af.

Uit het Amerikaanse octrooischrift 4.514.475 is een separatorbekend die bestaat uit een vlakke rechthoekige voor gas ondoorlaatbareplaat die tussen twee opeenvolgende cellen is geplaatst en waarbij tweetegenover elkaar gelegen zijden over een zijde van de plaat zijn terug¬gevouwen onder vorming van twee afsluitende flensen en waarbij de tweeoverige zijden over de tegenovergelegen zijde van de plaat teruggevouwenzijn onder vorming van twee andere afsluitende flensen waarbij elk vande afsluitende flensen tesamen met de plaat een kanaal vormt waarin eenveerkrachtige samenpersbare bundel dunne metaallaagjes is geplaatst. Detwee eerste afsluitende flensen sluiten aan op de electrolytmatrix vaneen van de cellen onder vorming van een voor gas ondoordringbare afslui¬ting tussen een electrode van een cel en van een geribde.plaat voorreagensgas. De tweede afsluitende flens sluit aan op de electrolytmatrixvan de andere cel voor het vormen van een voor gas ondoorlaatba¬re afsluiting tussen electroden van de andere cel en van de andere ribbelkanalen voor het reagensgas. De afsluitende flensen werken samenmet de daaraan verbonden samenpersbare stapels van vellen voor hethandhaven van een afstand tussen de plaat en de electrolytmatricesterwijl zij aanpassing van de afstand tussen de platen mogelijk maken.

Een belangrijk kenmerk van de separators volgens deze beide oc-trooischriften is gelegen in het feit dat in beide gevallen de proces-gassen voor de verschillende brandstofcellen van een stapeling uitwendigvia gezamenlijk tegenover elkaar gelegen gaskamers dienen te worden toe-respectievelijk afgevoerd voor de brandstof in de ene richting en voorde oxydantstroom in een richting loodrecht daarop.

Meer in het algemeen zijn brandstofcellen bekend voor de opwekkingvan energie door electrochemische verbranding van waterstof. Het voor¬deel van deze verbrandingswijze is de directe omzetting in electriciteitnaast warmte ten gevolge van de inwendige weerstand in de (brandstof)cel. Hierdoor kunnen procesrendementen van 60% en hoger worden verkre¬gen. Hoewel waterstof de brandstofcomponent is in een brandstofcelkunnen als primaire componenten onder meer ook aardgas of kolengasworden toegepast.

De toepassing van aardgas of kolengas vereist omzetting in eenwaterstofrijk gasmengsel door "reforming" of "Chemical shift" reacties.Deze chemische reacties zijn endotherm en kunnen katalytisch wordenversteld bij de werktemperatuur van gesmolten-carbonaat brandstofcelsys-temen in het gebruikelijke gebied van 600 tot 700°C.

De gesmolten-carbonaat brandstofcel bestaat in principe uit eenplaatvormige anode, een matrix met electrolyt en een kathode. Dit zoge¬naamd actief pakket van de brandstofcel wordt aan weerszijden opgeslotentussen één of meerdere metalen platen, stroomgeleider en/of separator-plaat genoemd, die een aantal functies moeten verzorgen zoals: onder¬steuning van de plaatvormige electrodes, geleiding van de procesgassenlangs de electroden, gelijkmatige distributie van de procesgassen overhet electrode-oppervlak, de elektronengeleiding tussen de afzonderlijkebrandstofcellen en de scheiding van het brandstofgas en het oxydantgastussen anode en kathode van aangrenzende brandstofcellen. In fig. 1 iseen principeschets weergegeven van een gesmolten carbonaatbrandstofcel,zoals boven beschreven.

In deze figuur geeft 1 de matrix aan, bijvoorbeeld een inert materiaalvan lithiumaluminaat, doorgaans 0,5 tot 1 mm dik, dat doordrenkt is vaneen mengsel van alkalicarbonaten. 2 is de kathode, bijvoorbeeld nikkel-oxyde, doorgaans 0,4 tot 0,8 mm dik en 3 stelt de anode voor, bijvoor- beeld nikkelchroom, doorgaans met een dikte van 0,6 tot 0,8 mm.

De brosse keramische plaatvormige kathode wordt ondersteund door eenkathodestroomcollector 4, die tevens de oxydant gasstroom langs dekathode distribueert en tevens de elektronen geleidt vanaf de anode vande ondergelegen cel via gasscheidingsplaat naar de kathode 2.

De anode 3 wordt ondersteund door de anodestroomcollector 5 die tevensde brandstof gasstroom langs de anode distribueert en de elektronengeleidt vanaf de anode via de separatorplaat of naar de kathode van debovengelegen brandstofcel.

Vanaf de stroomcollector gelegen aan de anodezijde wordt waterstof aande anode toegevoerd en daar vandaan worden H20 + C02 afgevoerd.

Door de elektrolietmatrix wordt C032- getransporteerd. Terwijl aan dekathode de reactie i 02 + C02 + 2e geeft C032- verloopt. Vanaf destroomcellector gelegen aan de kathodezijde wordt een mengsel van 02 enC02 aan de kathode toegevoerd, dat weer gedeeltelijk afkomstig is kanzijn van de anodezijde. Figuur 2 geeft schematisch een mogelijke prak¬tische uitvoering aan van de celopbouw van een bovenbeschreven gesmoltencarbonaat brandstofcel, met aan beide zijden de aangrenzende halfcel.

In deze figuur geeft 1 de matrix aan, 2 is de kathode, 3 is de anode, 4is de kathodestroomcollector in de vorm van een golfplaat. 5 is deanodestroomcollector, 6 is de separatorplaat naar de anodezijde van deondergelegen brandstofcel, 7 is de separatorplaat naar de kathodezijdevan de bovengelegen brandstofcel. Bij 8 is brandstof aanwezig en bij 9oxydatiemiddel. Een cel wordt dan gevormd door de elementen 1 t/m 5 pluscarbonaat. De stroming van het oxydantgas en van het brandstofgas langsde kathode respectievelijk langs de anode heeft plaats loodrecht op hetvlak van de tekening van figuur 2.

Boven de separatorplaat 7 is de bovengelegen aangrenzende halfcel weer¬gegeven met de kathodestroomcollector 10, de kathode 11 en de matrix 12.Zo is aan de onderzijde van separatorplaat 6 de ondergelegen aangrenzen¬de halfcel weergegeven met de anodestroomcollectoren 13, de anode 14 ende matrix 15.

Bij bekende cellen is de opsluiting van de cellen een probleem.Dit omdat bij het smelten het carbonaatzout in de poreuze matrix en inde electrode wordt opgenomen, waardoor het volume "schijnbaar" afneemt.Indien de electroden opgesloten worden door massieve rails rond debuitenomtrek, ontstaan door krimp van de electroden spleten tussen deplaatvormige komponenten, waardoor de prestatie van de cel terugloopt enhet rendement wordt verminderd of zelfs wel het werken van de cel geheel stopt.

Gevonden werd nu een inrichting van het in de aanhef beschreventype die is gekenmerkt, doordat de gasdoorvoeringen voor de gastoe- enafvoer in tegenover elkaar gelegen zijden van de separatorplaat zijnaangebracht. Hierdoor ontstaan geen afdichtingsproblemen door het smel¬ten van het carbonaat en het opnemen van het carbonaat in de matrix enin de poreuze elektroden. Bovendien wordt door de keuze van een geschiktprofiel van de gasdoorvoering een elastische constructie verkregen metde vereiste invering om de krimp van de elektroden tijdens de levensduurte compenseren zodat de inwendige weerstand in de cel niet toeneemt doorde vorming van spleten en de prestatie van de cel behouden blijft.

Een bijzonder aspect van de vinding is de combinatie van bovenbeschrevenverende gasdoorvoer van de separatorplaat met een raamvormig veer rondhet actieve celpakket. Dit "raam,,veer levert de benodigde kracht voor deafdichting van de procesgassen in de brandstofcel naar de omgeving. Ditraamveer kan tevens integrale elementen bevatten voor de geleiding vande procesgassen.

In fig. 3 is als voorbeeld een mogelijke uitvoering van een derge¬lijke separatorplaat weergegeven, waarin 16 de brandstoftoevoerleidingenen 17 de oxydatiemiddeltoevoerleidingen weergeven, 18 en 19 de overeen¬komstige afvoerleidingen weergeven, terwijl 5 een golfplaatvormigestroomcollector weergeeft. Uiteraard is de stroomcollectorplaat niet aandeze uitvoeringsvorm gebonden.

In fig. 4 wordt een lengtedoorsnede over de gasdoorvoeropeninggegeven waarin B de verende gasdoorvoersectie is en de veer voor deondersteuning rond het actieve pakket in sectie C zit.

In deze figuur geeft 7 een scheidingsplaat of separatorplaat aan,geven 20 en 21 de anode- respectievelijk kathodegaskasten en 4 en 5 destroomcollectoren aan, is 2 de kathode en 3 de anode, terwijl de brand¬stof toevoer 16 is en de veren rond het actieve celpakket worden aange¬duid met 22. De functie van deze veren is in het middengedeelte van decel rond het pakket de vereiste afdichtingskracht te leveren. Een ge¬schikte uitvoeringsvorm van het verende element rond het actieve celpak¬ket heeft de vorm van een raam, waarvan in figuur 5 een mogelijke uit¬voeringsvorm wordt weergegeven en waarbij de onderlinge verbindingendoor bijvoorbeeld puntlas of soldeerverbinding tot stand kan zijn ge¬bracht en dat voorzien is van speciale organen voor geleiding van deprocesstromen. Volgens de uitvinding wordt de verende werking van degasdoorvoering verkregen door een geschikte vorm van het uitstroompro- fiel.

De veerkarakteristiek van de veer onder het actieve pakket iszodanig gedimensioneerd dat deze is aangepast op de invering van debovenvermelde gasdoorvoer en dat het leveren van de gewenste kracht op i de matrix om een effectieve afdichting van de procesgassen en omgevingte bewerkstelligen.

In fig. 5 geven de punten 25 een bevestigingspuntlas aan de gas-kast aan (vanzelfsprekend kan deze ook iets anders gepositioneerd zijn),geeft 23 een buiglijn voor een stroomgeleidingsorgaan 26 aan en geeft 24het verende gebied aan. Aan de zijkant wordt een mogelijke uitvoerings¬vorm van de veeruitvoering aan de anodezijde en de veeruitvoering aan dekathodezijde weergegeven.

in fig. 6 en 7 worden de ongespannen hoogte en de gespannen hoog¬te, dat wil zeggen ingebouwd in de separatorplaat, weergegeven.

Gevonden werd eveneens een stapeling van brandstofcellen van ditgesmolten carbonaattype, die is gekenmerkt doordat de cellen gescheidenzijn door deze separatorplaten. Het voordeel is dat een dergelijkestapeling van brandstofcellen is voorzien, van een verend uitgevoerderail rond het actieve cellenpakket.

Brandstofcellen van het gesmolten-carbonaattype leveren electrici-teit bij een betrekkelijk hoge stroomdichtheid van bijvoorbeeld 150 tot160 A/cm2, echter bij een betrekkelijk lage werk- of celspanning vanongeveer 0,7 - 0,8 V. Voor praktische toepassingen worden brandstofcel¬len van dit type toegepast door stapelingen (fuel cell stacks) vanbijvoorbeeld 100 brandstofcellen. De scheidings- of separatorplatenhebben hierbij als functie de scheiding tussen de aan elkaar grenzendeanoden en kathoden de scheiding van de anodegasstroom (brandstof) en dekathodegasstroom (oxydatiemiddel) de gelijkmatige distributie van debeide gasstromen langs de electroden de electronengeleiding tussen deaangrenzende anode en kathode.

Figuur 8 geeft een samenstelsel volgens de vinding weer, waarin 1de matrix aangeeft, 2 de kathode, 3 de anode en 7 een vlakke separator¬plaat is, 20 geeft een gaskast aan, terwijl 16 en 19 respectievelijk deprocesgasvoorzieningen aangeven dat wil zeggen 16 geeft de brandstofgas¬toevoer aan, terwijl 19 de afvoer van het oxydatiemiddel aangeeft. Deconstructie van de brandstofcellenstapeling blijkt uit deze figuur.

Claims (3)

1. Separatorplaat voor stapeling van^ brandstofcellen van hetgesmolten carbonaattype voorzien van openingen voor brandstoftoevoer enbrandstofafvoer en voor toe- en afvoer van oxydatiemiddel,gekenmerkt, doordat de gasdoorvoeringen door de separatorplaatdoor keuze van een daartoe geschikt profiel een veerkarakteristiekvertonen en door een raamvormige veer die rond het actieve celpakket is aangebracht,welke raamvormige veer integrale elementen bevat voor de geleiding vande procesgassen en het profiel van de raamveer is aangepast op de veerkarakteristiek van degasdoorvoering.

2. Stapeling van brandstofcellen van het gesmolten carbonaattype,gekenmerkt, doordat de cellen gescheiden zijn door separator-platen volgens conclusie 1.

3. Stapeling van brandstofcellen volgens conclusie 2, ge ke nmerkt, door een verend uitgevoerde rail rond het actievecellenpakket.