NL9000977A - Gesmolten carbonaatbrandstofbatterij. - Google Patents

Description

Titel: Gesmolten carbonaatbrandstofbatterij.

Deze uitvinding heeft betrekking op gesmolten carbonaatbrandstofbatteri jen omvattende een stapel van eenheidscellen, en meer in het bijzonder op verbeterde gesmolten carbonaat-brandstofcelstapels waarin de effecten van elektrolyt-migratie zijn vertraagd en gecontroleerd, zodat de stapels een lang leven is gegeven.

Het is bekend dat, wanneer conventionele gesmolten carbonaatbrandstofbatteri jen omvattende een stapel van gesmolten carbonaatbrandstofcellen worden bedreven, elektrolyt-migratie of zelfs elektrolyt-herverdeling (d.w.z. verandering van elek-trolyt-samenstelling) plaatsvindt. Dit heeft in belangrijke mate het praktisch gebruik van gesmolten carbonaatbrandstof-batterijen verhinderd. Vanwege de elektrolyt-migratie wordt aan de cellen die zich meer in de nabijheid bevinden van de kathode die het positieve uiteinde van de stapel definieert (in het hiernavolgende wordt deze kathode aangeduid als "eindkathode", omdat deze een uiteinde van de stapel definieert), meer elektrolyt onttrokken, terwijl naar de cellen die zich meer in de nabijheid bevinden van de anode die het negatieve uiteinde van de stapel definieert (in het hiernavolgende wordt deze anode aangeduid als "eindanode", omdat deze het andere uiteinde van de stapel definieert (meer elektrolyt toestroomt). Het is bekend dat de elektrolyt-migratie wordt veroorzaakt door lekstroom die stroomt door verdeelstukpak-kingen die worden gebruikt om verdeelstukken te bevestigen aan stapeloppervlakken. Het toestromen en onttrekken van elektrolyt vermindert in ernstige mate de prestatie van de batterij.

De elektrolyt-migratie heeft ook tot gevolg, dat het geleidend vermogen van het elektrolyt vermindert, hetgeen ook de prestatie van de batterij vermindert. Het is moeilijk om een verandering van elektrolyt-samenstelling (d.w.z. elektrolyt-herverdeling) te elimineren, en daarom is een techniek voorgesteld om de effecten van elektrolyt-migratie te vertragen door het verschaffen van een grotere capaciteit voor het elektrolyt voor de eindkathode en eindanode van de brand-stofcelstapel in vergelijking met de rest van de stapel, om de effecten van elektrolyt-onttrekking ’en elektrolyt-toestroming te verminderen.

Zoals bovenstaand is opgemerkt, zijn conventionele gesmolten carbonaatbrandstofbatterijen zoals bovenbeschreven onderworpen aan elektrolyt-onttrekking en elektrolyt-toestroming, en daarom kan het zijn dat zij moeten worden afgedankt zelfs voordat hun economische levensduur teneinde is. Gesmolten carbonaatbrandstofbatterijen die de bovengenoemde opstelling gebruiken om de effecten van elektrolyt-migratie te vertragen, kunnen geen bevredigend resultaat verschaffen, en bovendien moeten de eenheidscellen met de eindkathode en de eindanode worden vervaardigd volgens speciale specificaties die verschillen van die van andere, gewone gesmolten carbonaatcellen, en kunnen daarom niet worden vervaardigd op gewone massaproduktielijnen. Dienovereenkomstig zijn de vervaardigingskosten van dergelijke batterijen bijzonder hoog.

Volgens de onderhavige uitvinding worden gesmolten carbonaatbrandstofbatterijen verschaft die vrij zijn van de bovengenoemde nadelen van conventionele gesmolten carbonaatbrandstofbatteri jen . Gesmolten carbonaatbrandstofcellen in de stapels van de batterijen van de onderhavige uitvinding hebben een structuur die vervaardigd is volgens specificaties die vergelijkbaar zijn met die van gewone cellen, maar de brand-stofcelstapel van de onderhavige uitvinding is zodanig uitgevoerd, dat elektrolyt doelmatig kan worden toegevoerd naar de eindkathode die het positieve uiteinde van de brandstofcel-stapel definieert, en doelmatig kan worden geabsorbeerd van de eindanode die het negatieve uiteinde van de brandstofcelstapel definieert.

Volgens de onderhavige uitvinding omvat een gesmolten carbonaat een brandstofbatterij een stapel van gesmolten carbonaatbrandstofcellen. De stapel omvat een zogenaamde halve-celanode die is opgesteld buiten de eindkathode die het positieve uiteinde van de stapel definieert, waarbij tussen de eindkathode en de halve-celanode een schelder is aangebracht. De halve-celanode omvat een anode-elektrode en een anodereac-tiegasstroombaan, maar omvat geen matrix. De stapel omvat verder een zogenaamde halve-celkathode die is opgesteld buiten de eindanode die het negatieve uiteinde van de stapel definieert, waarbij tussen de halve-celkathode en de eindanode een scheider is aangebracht. De halve-celkathode omvat een kathode-elektrode en een kathodereactiegasstroombaan, maar omvat geen matrix.

De halve-celanode in de brandstofcelstapel volgens de onderhavige uitvinding dient om het elektrolyt toe te voeren aan de eindkathode die aan de halve-celanode grenst, terwijl de halve-celkathode het elektrolyt absorbeert van de eindanode die aan de halve-celkathode grenst. Aldus kan de tijd die benodigd is voordat het elektrolyt aan de eindkathode van de stapel is onttrokken aanzienlijk worden verlengd. Het in de reactiegasstroombaan van de halve-celkathode van de brandstofcelstapel van de onderhavige uitvinding stromende elektrolyt stroomt tengevolge van zijn eigen stromingsenergie een reac-tiegasaansluitstuk binnen. Derhalve hoeft men in het geheel niet bang te zijn dat de eindanode met het elektrolyt overstroomt. De structuren van de halve-celanode en de halve-celkathode van de onderhavige uitvinding zijn vergelijkbaar met die van de andere anodes en kathodes van de cellen in de stapel, en daarom veroorzaakt het gebruik van dergelijke halve-celanodes en -kathodes geen verhoging van de vervaardi-gingskosten.

In het hiernavolgende zal de onderhavige uitvinding nader worden verduidelijkt door beschrijving van een uitvoeringsvorm onder verwijzing naar de tekening, waarin: fig. 1 een gedeeltelijk weggebroken perspectiefaanzicht is van een hoofddeel van een batterij die een conventionele stapel van gesmolten carbonaatbrandstofcellen omvat; fig. 2 een dwarsdoorsnede van een hoofddeel van een eerste voorbeeld van een conventionele brandstofcelstapel is; fig. 3 een dwarsdoorsnede van een hoofddeel van een tweede voorbeeld van een conventionele brandstofcelstapel is; fig. 4 een dwarsdoorsnede van een hoofddeel van een derde voorbeeld van een conventionele brandstofcelstapel is; en fig. 5 een dwarsdoorsnede is van een hoofddeel van een brandstofcelstapel van een gesmolten carbonaatbrandstof-batterij volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding.

In de tekening tonen gelijke verwijzingscijfers gelijke onderdelen of functies aan.

Voorafgaand aan het beschrijven van een stapel van gesmolten carbonaatbrandstofcellen van een batterij van de onderhavige uitvinding, worden conventionele gesmolten carbonaatbrandstofbatterijen en daarin gebruikte celstapels verder beschreven.

Brandstofcelstapels van gesmolten carbonaatbrandstofbatteri jen op zich zijn welbekend en zijn beschreven in verscheidene publikaties en voor publieke inspectie toegankelijke octrooibeschrijvingen. Bijvoorbeeld de Japanse octrooi-publikatie SHO 63-279575 (corresponderend met het Amerikaanse octrooischrift 4.761.348) beschrijft gedetailleerd een typische gesmolten carbonaatbrandstofcelstapel. In deze typische brandstofcelstapel omvat elke cel een poreuze anode-elektrode van gesinterd nikkelchroom en een poreuze kathode-elektrode van nikkeloxide, die zijn aangebracht op tegenover elkaar gelegen hoofdvlakken van een poreuze elektrolyt-matrix teneinde de matrix te "sandwichen". De matrix van, bijvoorbeeld, lithiumaluminaat (LiA102) of een ander inert keramiek is gevuld met gesmolten alkalimetaalcarbonaatelektrolyt (b.v. Li2C03/K2C03) . In de anodes en de kathodes is respectievelijk voorzien in anode- en kathodereactiegasstroombanen. Typisch zijn honderden eenheidsbrandstofcellen gestapeld.

Fig. 1 is een gedeeltelijk weggebroken perspectiefaanzicht van de conventionele gesmolten carbonaatbrandstof- celstapel die is getoond in de genoemde Japanse octrooipubli-katie SHO 63-279575. In fig. 1 omvat de brandstofcelstapel 20 een stapel van een aantal cellen 1. Een oppervlak 2 van de stapel is een brandstofinlaatoppervlak, en een oppervlak 3 is een oxidantinlaatoppervlak van de stapel. Een negatieve verzamelelektrode 41 is opgesteld aan één uiteinde van de stapel, en een positieve verzamelelektrode 42 is opgesteld aan het andere uiteinde van de stapel. Een (niet-weergegeven) aansluitstuk is bevestigd aan elk van de stapelopper-vlakken 2 en 3 met daartussen aangebracht een poreuze pakking (gasafdichtorgaan) 5. Aldus wordt tussen de aansluitstukken en de stapeloppervlakken 2, 3 een gasafdichting verschaft door een natte afdichting die wordt verschaft door het in de pakkingen 5 aanwezige elektrolyt.

Zoals in het voorgaande vermeld, is het welbekend dat wanneer de brandstofcelstapel van het bovenbeschreven stelsel wordt bedreven, elektrolyt-migratie optreedt en de elektrolyt-samenstelling wordt herverdeeld, hetgeen het praktisch gebruik van gesmolten carbonaatbrandstofbatterijen verhindert. De elektrolyt-migratie wordt gedetailleerd beschreven in bijvoorbeeld het artikel "Transport of Electrolyte in Molten Carbonate Fuel Cells" van H.R. Kunz, J. Electrochemical Soc., Vol. 134, No. 1, januari 1987, blz. 105-113. Figuur 2 toont een dwarsdoorsnede van de voor bespreking in dat artikel gebruikte schakel. In figuur 2 is een aansluitstuk 6 bevestigd aan een stapeloppervlak met daartussenin een pakking 5. Een pijl 7 duidt de richting aan waarin lithiumionen (Li+) en kaliumionen (K+) migreren, en een pijl 8 duidt de richting aan waarin carbonaationen (CO3 2~) migreren. Voor een eenvoudig begrip is elke cel 1 getoond als omvattende een anode (A), die een anode-elektrode en een anodereactiegasstroombaan omvat, en een kathode, die een kathode-elektrode en een kathodereactie-gasstroombaan omvat, en de anodes en kathodes van de respectieve cellen zijn opeenvolgend genummerd van de bodem naar de bovenkant van de stapel, zodat de kathodes en anodes respectievelijk zijn aangeduid als Cl, Al, C2, A2, C3, A3, C100, AIOO. De in fig. 2 getoonde stapel omvat 100 cellen 1. Een voor gas ondoorlaatbare scheidingsplaat 9 is opgesteld tussen naburige cellen, en een matrix 10 is opgesteld tussen de anode (A) en de kathode (C) van elke cel 1. De kathode Cl aan één uiteinde van de stapel is de eind-kathode 21, die het positieve uiteinde van de stapel definieert, terwijl de anode A100 aan het andere uiteinde van de stapel de eindanode 22 is, die het negatieve uiteinde van de stapel definieert.

Als een resultaat van de elektrolyt-migratie in de stapel van fig. 2, worden de cellen meer verarmd aan elektrolyt naarmate zij zich dichter bij de eindkathode 21 van de stapel bevinden, en de cellen worden meer overstroomd met elektrolyt naarmate zij zich dichter bij de eindanode 22 bevinden. Het is bekend, dat de migratie van elektrolyt kan worden toegeschreven aan lekstroom die stroomt in de aansluitstukpak-kingen 5. Wanneer lekstroom stroomt, migreert het elektrolyt naar de eindanode. De elektrolyt-verarming en elektrolyt-overstroming verminderen in aanzienlijke mate de prestatie van de batterij. De reden waarom een dergelijke lekstroom in de aansluitstukpakkingen 5 stroomt is als volgt. In de bekende techniek is het onvermijdelijk dat de pakkingen 5 worden bevochtigd met het elektrolyt om daardoor een natte afdichting te verschaffen. Aldus is pakking 5 in contact met de cel 1, en is daarbij altijd bevochtigd met elektrolyt. De pakkingen sluiten daarom bijvoorbeeld Al en C2, A2 en C3, ..., A99 en C100, en een lekstroom stroomt, hoewel deze klein kan zijn.

Als resultaat bewegen lithiumionen (Li+) en kaliumionen (K+> naar zich in het bovenste deel van fig. 2 bevindende cellen, zoals aangeduid door de pijl 7, terwijl carbonaationen (C03 :_) zich bewegen naar zich in het onderste deel van fig. 2 bevindende cellen, zoals aangeduid door de pijl 8. De lithiumionen (Li+) en de kaliumionen (K+) reageren met kooldioxide in de bovenste cellen om respectievelijk lithiumcarbonaat en kaliumcarbonaat te vormen, terwijl in de onderste cellen de carbonaationen kooldioxide produceren, hetgeen uit de batterij ontsnapt.Dan vermeerdert de hoeveelheid van het elektrolyt in de bovenste cellen, terwijl de hoeveelheid elektrolyt in de onderste cellen vermindert, hetgeen uiteindelijk resulteert in de migratie van het elektrolyt. Bovendien, tengevolge van verschil in overdrachtsaantal tussen de lithiumionen (L+) en de kaliumionen (K+) verandert ook de elektrolyt-samenstelling (d.w.z. de verhouding van lithium en kalium in het elektrolyt) , hetgeen resulteert in vermindering van de elektrische geleidbaarheid van het elektrolyt. Dan is de prestatie van de batterij kwalitatief verminderd.

Het is moeilijk om dergelijke elektrolyt-herverdeling (d.w.z. verandering in de elektrolyt-samenstelling) te elimineren. Daarom is een techniek voorgesteld, volgens welke de effecten van elektrolyt-migratie vertraagd worden door een grotere elektrolyt-opslagcapaciteit voor de eindkathode 21 en de eindanode 23 te verschaffen dan voor de overige cellen, zodat de effecten van elektrolyt-verarming en -overstroming verminderd kunnen worden. Een dergelijke techniek wordt getoond in de reeds genoemde

Japanse octrooipublikatie SHO 63-279575. Deze structuur is geïllustreerd in fig. 3. In de in fig. 3 getoonde structuur hebben een eindkathode 13 en een eindanode 14 ook een vergrote dikte zodat de capaciteit voor opslag van het elektrolyt groter is. Met deze opstelling kan de tijd voordat de cel Al-Cl wordt verarmd en voordat de cel A100-C100 wordt overstroomd in een mate dat de stapel niet verder werkzaam kan zijn, verlengd worden ten opzichte van de in fig. 2 getoonde stapel. Echter, de gebieden van toelaatbare elektrolyt-verarming en overstroming van werkzame cellen zijn smal, en daarom kan niet verwacht worden dat deze opstelling veel verbetering bereikt. Bovendien vereist deze opstelling, dat de eindkathode 13 en de eindanode 14 van een grotere dikte dan de anode en kathode van gewone cellen speciaal vervaardigd moet worden. Dat wil zeggen, de eindanode en de eindkathode van dit stelsel kunnen niet worden vervaardigd op de massaproduktie- lijn als andere gewone cellen, hetgeen een aanzienlijk verhoging veroorzaakt van de kosten van deze batterij.

De Japanse octrooipublikatie SHO 63-279575 beschrijft een ander voorbeeld van een gesmolten carbonaatbrandstofstapel, welke is geïllustreerd in fig. 4. Zoals in fig. 4 getoond, is een eerste poreuze reservoirlaag (Rl) 15 buiten een eind-anode A100 aangebracht met daartussen een schelder 91, en een tweede poreuze reservoirlaag (R2) 16 is aangebracht buiten een eindkathode Cl met daartussen een schelder-92. Het elektrolyt is opgeslagen in de tweede poreuze reservoirlaag (R2) 16. Het naar het oxidantgasinlaatvlak 3 (fig. 1) van de stapel gerichte zijvlak van de eerste reservoirlaag 15 is niet voorzien van een randgasafdichting, maar is blootgesteld aan de oxidantgasatmosfeer, en het naar het brandstofgasinlaatvlak 2 (fig. 1) van de stapel gerichte zijvlak van de tweede reservoirlaag 16 is niet voorzien van een randgasafdichting, maar is blootgesteld aan de brandstofgasatmosfeer. De eerste en tweede poreuze reservoirlagen 15 en 16 zijn electron-geleidbare poreuze organen die geen enkele celfunctie verrichten, maar die geen nadelige invloed op de stapel uitoefenen, zelfs wanneer de daarin bevatte hoeveelheid elektrolyt toeneemt of afneemt. Aldus moet het manifesteren van de effecten van de elektron-migratie vertraagd worden ten opzichte van het in fig. 3 getoonde stelsel, met een tijds-hoeveelheid waarin de poreuze organen geheel zijn gevuld met elektrolyt respectievelijk waarin het elektrolyt daar geheel uit verdwenen is. Gebleken is echter dat, aangezien de elektrolyt-migratie van de tweede reservoirlaag (R2) 16 naar de kathode Cl (eindkathode 21) en de elektrolyt-migratie van de anode A100 (eindanode 22) naar de eerste reservoirlaag (Rl) 15 onvoldoende was, de vertraging in manifestatie van de effecten van het elektrolyt langer was in het stelsel van fig. 3 dan in fig. 4. Dat wil zeggen dat met het stelsel van fig. 3 betere resultaten verkregen kunnen worden dan met het stelsel van fig. 4. De reden kan als volgt zijn. In de structuur van fig. 4 hebben de reservoirlagen 15 en 16 geen reactiegasstroombanen en raken daarom met de reactiegassen slechts met hun respectieve zijvlakken, die een klein oppervlak hebben. Dienovereenkomstig veroorzaakt slechts een kleine door de pakkingen 5 tussen R2 en Cl en tussen A100 en R1 stromende stroom grote concentratiepolarisatie bij R1 en R2, zodat geen elektrochemisch potentiaalverschil tussen R2 en Cl of tussen A100 en R1 wordt geproduceerd. Dan treedt de elektrolyt -migratie van de reservoirlaag R2 naar de kathode Cl en van de anode A100 naar de reservoirlaag R1 niet op. Verder verschilt de structuur van de reservoirlagen R1 en R2 van die van de gewone cellen, hetgeen nadeligerwijs ook een toename van de kosten van de batterij veroorzaakt.

Onder verwijzing naar fig. 5 zal thans een stapel gesmolten carbonaatbrandstofcellen volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding worden beschreven. Zoals in fig. 5 getoond, is een "halve-cel"-anode 11 op de buitenzijde van de eindkathode (Cl) 21 aangebracht met daartussen de scheider 92. De halve-celanode 11 omvat een anodesectie van een gewone cel, hetgeen een anodereactiegasstroombaan en een anode-elektrode omvat, en een gasafdichtende structuur. Aldus kan de structuur van de halve-celanode 11 dezelfde zijn als die van de anodes Al, A2, .... Anders dan de gewone cel omvat deze anode-halve-cel geen kathode, kathodereactiegasstroombaan, of een matrix. Dat is de reden dat de term "halve-cel" wordt gebruikt, en daarom wordt deze "halve-cel"-anode de aanduiding "AO" gegeven. Op vergelijkbare wijze is een "halve-cel"-kathode 12 aangebracht op de buitenzijde van de eind-anode (A100) 22 met daartussen de scheider 91. De halve-celkathode 12 omvat de kathodesectie van een gewone cel, hetgeen een kathodereactiegasstroombaan en een kathode-elek-trode omvat, en een gasafdichtende structuur. Aldus kan de halve-celkathode 12 dezelfde structuur hebben als de kathodes Cl, C2, .... Vergelijkbaar met de halve-celanode omvat de halve-celkathode geen anode-elektrode, anodereactiegasstroombaan, of een matrix. Dit is de reden dat de term "halve-cel" wordt gebruikt, en voor de halve-celkathode wordt de aanduiding "C101" gebruikt.

De structuur van de brandstofcelstapel van fig. 5 is anderszins vergelijkbaar met de structuur van de in fig. 2 getoonde conventionele gesmolten carbonaatbrandstofcelstapel, en daarom wordt voor het resterende gedeelte van de celstapel van fig. 5 een verdere verklaring achterwege gelaten.

Aangezien geen van de halve-celanode AO en de halve-celkathode C101 een matrix omvat, wordt bijna al de stroom verzameld door de verzamelelektrodeplaten 41 en 42 zonder ohmse verliezen te bieden, zoals in het geval van de conventionele, van de reservoirlagen R1 en R2 voorziene brandstofcelstapel zoals in fig. 4 getoond. Dienovereenkomstig wordt de werking van de brandstofcelstapel nooit beïnvloed, zelfs wanneer elektrolyt-verarming of overstroming plaatsvindt in de halve-celanode (AO) of -kathode (C101) . Verder laat in de structuur van fig. 5 het gebruik van de halve-celanode AO en de halve-celkathode C101 het optreden toe van een dusdanige situatie dat er in het geheel geen elektrolyt is of dat de elektrolyt overstroomt in de reactiegasstroombaan. In dit opzicht bereikt de onderhavige uitvinding een grote verbetering in vergelijking met de in fig. 3 getoonde conventionele structuur waarin de toelaatbare mate van verarming of toestroming van het elektrolyt bij Al of C100 klein is. Bovendien, aangezien de halve-cellen AO en C101 respectieve reactiegas-stroombanen omvatten, kunnen zij worden gehouden op gegeven elektrochemische potentialen in de aanwezigheid van de reactiegasatmosfeer in willekeurige omstandigheden, van de omstandigheid dat er hoofdzakelijk geen elektrolyt aanwezig is tot de omstandigheid dat het elektrolyt overstroomt in de reactiegasstroombaan. Meer in het bijzonder, aangezien ook van de halve-celanode AO en de halve-celkathode C101 in contact is met het reactiegas over een groot deel van de elektrode, zelfs wanneer lekstroom door de aansluitstukpakking 5 stroomt, vindt in hoofdzaak geen concentratiepolarisatie plaats en daarom kunnen tussen AO en Cl en tussen A100 en C101 effectieve elektrochemische potentiaalverschillen worden gehandhaafd. Dit veroorzaakt in hoofdzaak dezelfde lekstroom als die die tussen Al en C2, tussen A2 en C3, tussen A99 en C100 stromen, tussen AO en Cl en tussen A100 en C101 stromen. Dienovereenkomstig migreert het elektrolyt tussen AO en Cl en tussen A100 en C101 met in hoofdzaak dezelfde snelheid als tussen Al en C2, tussen Ά2 en C3, en tussen A99 en C100.

In de in fig. 4 getoonde conventionele structuur kan, wanneer het elektrolyt de reservoirlaag R1 geheel heeft gevuld, geen elektrolyt meer geabsorbeerd worden, en de reservoirlaag R1 kan niet op de potentiaal in de aanwezigheid van de oxidantgasatmosfeer worden gehouden. Daarom kan geen elektrolyt meer worden ontvangen. In deze conventionele structuur heeft het elektrolyt-overstromen bij A100-C100 de neiging vroeg op te treden.

In tegenstelling daarmee, aangezien de halve-celkathode C101 van de onderhavige uitvinding een reactiegasstroombaan omvat en er geen reactiegas stroomt door deze reactiegasstroombaan, zal het elektrolyt dat overstroomt in deze reactiegasstroombaan, langs de stroming van het reactiegas, naar buiten stromen in het aansluitstuk dat in de oxidantuitlaatzijde van de stapel is bevestigd. Aldus kan het elektrolyt verder worden geabsorbeerd, zelfs nadat de halve-celkathode C101 volledig met het elektrolyt is gevuld. Verder, omdat het elektrodeoppervlak waarmee het oxidantgas in contact is, groot is, treedt geen concentratiepolarisatie op en kan de potentiaal in de aanwezigheid van de oxidantgasatmosfeer continu worden vastgehouden. Aldus wordt de elektrolyt -migratie tussen A100 en C101 niet onderbroken, en daarom zal er geen overstroming van A100-C100 met het elektrolyt zijn. Anderzijds kan de elektrolyt-verarming bij de halve-celanode AO worden geëlimineerd wanneer regelmatige inspecties van de batterij worden uitgevoerd. Bij dergelijke regelmatige inspecties kan de halve-celkathode C101 vol met het elektrolyt worden gevonden, maar het is niet nodig om het elektrolyt uit C1C1 te verwijderen en daarom is een continue werking van de batterij mogelijk. Volgens één aspect van de onderhavige uitvinding kan, wanneer de batterij voor de eerste keer wordt gebruikt, de halve-celanode AO geheel gevuld zijn met elektrolyt, en kan de halve-celkathode C101 geheel leeg zijn van elektrolyt. Dit is mogelijk omdat de halve-cellen zijn voorzien van respectieve reactiegasstroombanen, en dienovereenkomstig in voldoende contact van de elektrodes van de halve-cellen met reactiegassen beschikbaar. Anderzijds is in de in fig. 4 getoonde conventionele structuur de reservoir-laag R2 slechts bij zijn zijvlak in aanraking met het reactiegas, en daarom is, wanneer de reservoirlaag R2 geheel met het elektrolyt gevuld is, het metalen gedeelte van de reservoirlaag bedekt met de elektrolytvloeistof. Dan kan zelfs een kleine lekstroom concentratiepolarisatie veroorzaken, en tussen R2 en Cl wordt geen elektrochemisch potentiaalverschil geleverd. Dan vindt geen migratie plaats van het elektrolyt van R2 naar Cl. Daarom is het niet toegestaan de reservoirlaag R2 van de conventionele brandstofcelstapel van fig. 4 geheel met het elektrolyt te vullen.

De structuren van de halve-celanode AO en de halve-celkathode C101 zijn dezelfde als die van respectievelijk andere anodes en kathodes. Dienovereenkomstig vereist de toevoeging van de halve-celanode en de halve-celkathode slechts dat gedeelte voor één cel, exclusief een matrix, om te worden toegevoegd en gestapeld, maar er zijn geen speciaal ontworpen onderdelen benodigd. Aldus kan de levensduur van stapels die honderden gesmolten carbonaatbrandstofcellen omvatten (hoewel de stapel in fig. 5 geïllustreerd is als omvattende honderd cellen), aanzienlijk worden verlengd door eenvoudig slechts onderdelen voor één cel toe te voegen aan de conventionele stapelstructuur. Evenals dit is de economische bijdrage van de onderhavige uitvinding aanzienlijk.

Eén nadeel, dat slechts als een gering nadeel wordt beschouwd, van de gesmolten carbonaatbrandstofbatterij van de onderhavige uitvinding, is dat de reactiegassen die in de halve-celanode AO en in de halve-celkathode C101 stromen, niet bijdragen aan het opwekken van vermogen. De eindcellen van een brandstofcelstapel bevinden zich echter op een lage temperatuur, en dienovereenkomstig is hun vermogenopwekefficientie essentieel laag. Verder, zelfs als deze halve-cellen zouden kunnen bijdragen aan het opwekken van vermogen, zou hun bijdrage slechts één van de honderd zijn, en dienovereenkomstig kan een dergelijk niet-bijdragen aan elektrische vermogenopwekking door de halve-cellen verwaarloosd worden. Echter, het besparen van de reactiegassen kan bereikt worden door de uitlaatpoorten van de reactiegasstroombanen van AO en C101 gedeeltelijk te sluiten. Zelfs als de uitlaatpoorten gedeeltelijk gesloten zijn, belemmert het niet het toevoeren van de gassen naar AO en C101, maar verspillen van de gassen kan worden geminimaliseerd.

Zoals bovenbeschreven is, volgens de onderhavige uitvinding, in een stapel van cellen, die elk een anode-elektrode, een anodereactiegasstroombaan, een kathode-elektrode, een kathodereactiegasstroombaan en een matrix omvatten, waarbij tussen naburige cellen in een stapel schelders zijn aangebracht, waarbij de cellen aan de respectieve uiteinden van de stapel die respectievelijk de eindanode en de eindkathode bevatten, de negatieve en positieve uiteinden van de stapel definiëren, een halve-celanode die een anode-elektrode en een anodereactiegasstroombaan maar geen matrix bevat, opgesteld in de buitenzijde van de eindkathode met daartussen een schelder, en een halve-celkathode die een kathode-elektrode en een kathodereactiegasstroombaan maar geen matrix bevat, opgesteld aan de buitenzijde van de eindanode met daartussen een schelder. Met deze opstelling kunnen de effecten van de elektrolyt-migratie klein gemaakt worden ten opzichte van die in conventionele stapels, en kunnen de stapels met verminderde kosten worden vervaardigd.

Claims (2)

1. Gesmolten carbonaatbrandstofbatterij omvattende een stapel van gesmolten carbonaatbrandstofcellen, waarbij tussen aangrenzende cellen schelders zijn opgesteld, waarbij elke cel een anode-elektrode, een anodereactiegasstroombaan, een kathode-elektrode, een kathodereactiegasstroombaan, en een matrix bevat, waarbij de cellen aan de respectieve uiteinden van de stapel de eindanode en eindkathode bevatten die respectievelijk de negatieve en positieve uiteinden van de stapel definiëren; welke stapel wordt omvat: een bij de buitenzijde van de eindkathode van de stapel aangebrachte halve-celanode met een tussen de eindkathode en de halve-celanode aangebrachte scheider, en een aan de buitenzijde van de eindanode van de stapel aangebrachte halve-celkathode met een tussen de eindanode en de halve-celkathode aangebrachte scheider, welke halve-celanode een anode-elektrode en een anodereactiegasstroombaan bevat maar geen matrix bevat, en welke halve-celkathode een kathode-elektrode en een kathodereactiegasstroombaan bevat maar geen matrix bevat.

2. Batterij volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de halve-celanode in hoofdzaak dezelfde structuur heeft als de andere anodes die deel uitmaken van de cellen in de stapel, en dat de halve-celkathode in hoofdzaak dezelfde structuur heeft als de andere kathodes die deel uitmaken van de cellen in de stapel.