NO180176B

NO180176B - Strömoppsamleranordning for en brenselcellestabel

Info

Publication number: NO180176B
Application number: NO942479A
Authority: NO
Inventors: Roald Ravnanger; Per Sundal; Rolf Oedegaard
Original assignee: Statoil As
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-11-18
Also published as: NO942479L; US5804328A; NO942479D0; WO1996000987A1; EP0765532B1; DK0765532T3; NO180176C; DE69506409T2; DE69506409D1; ATE174157T1; AU2938395A; EP0765532A1

Description

Oppfinnelsen angår en strømoppsamleranordning for en brenselcellestabel som omfatter et antall stabeldannende brenselcelleplater mellom motsatte endeplater, idet hver endeplate er forbundet med en strømsamler.

For å kunne nyttiggjøre seg elektrisiteten som genere-res i en brenselcellestabel på best mulig måte, er det nødvendig å ha en strømsamler der spenningstapet er lavt når det tappes strøm. Man må da ha god elektrisk kontakt mellom brenselcelle-stabelens endeplater og strømsamleren, samtidig som det ohmske spenningstap gjennom strømlederen til tilkoplingskontaktene er lavt.

En strømoppsamleranordning av den innledningsvis angitte type er kjent fra US-patentskrift nr. 4 719 157. I denne kjente anordning er endeplatene isolert fra strømsamleren ved hjelp av en mellomliggende, varmebestandig isolator, idet hver av strømsamlerne omfatter et antall uavhengige strømoppsamlings-avsnitt som er atskilt fra hverandre og som hvert er forsynt med en eneste tilkoplingskontakt som strekker seg derfra gjennom isolatoren og endeplaten. Et formål med den kjente anordning er å tilveiebringe en anordning som har høy strømoppsamlingseffekti-vitet selv om den anvendes på en brenselcellemontasje med et stort elektrodeareal.

Selv om det ikke er angitt i patentskriftet, antas det at anordningen er fremkommet i forbindelse med fosforsyre-brenselceller eller smeltekarbonat-brenselceller som har driftstemperaturer på henholdsvis 200 °C og 600 °C. Begge disse brenselcelletyper har metalliske koplingselementer og store elektrodearealer (1000 - 3000 cm<2>). For faststoffoksid-brenselceller (SOFC), som har drif tstemperaturer på ca. 1000 °C, er problemstillingen en helt annen. I disse brenselcellestabler er koplingselementene keramer, og elektrodearealet er forholdsvis lite (100 - 500 cm<2>). De keramiske endeplater kan vanskelig påsveises strømledere for utmating av strøm fra stabelen. Man må derfor etablere kontakt med strømledere på annen måte.

Flere metaller og metall-legeringer har høy elektrisk ledningsevne ved 1000 °C. I den oksiderende atmosfære dannes det imidlertid et tynt, ikke-ledende oksidsjikt på overflaten. Dette oksidsjikt beskytter metallet eller metallegeringen mot ytterligere korrosjon, men hindrer en effektiv strømoppsamling da det er elektrisk isolerende. Det er følgelig ingen løsning å benytte en høytemperatur-metallegering direkte mot keramiske endeplater i en brenselcellestabel. Edelmetaller er bestandige materialer der det ikke dannes noe oksidbelegg i luft. Prisen på edelmetaller gjør det imidlertid uaktuelt å benytte edelmetaller alene som strømsamlere. Edelmetaller er dessuten duktile materialer, og har dermed ikke den mekaniske styrke som er ønskelig for den totale strømoppsamleranordning.

Det er derfor et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en strømoppsamleranordning, særlig for høytemperatur-brenselceller med keramiske endeplater, ved hvilken det etableres og opprettholdes en god elektrisk kontakt, og dermed en høy elektrisk ledningsevne, mellom brenselcellestabelen og strømsam-leren ved driftstemperatur.

Et annet formål med oppfinnelsen er; å tilveiebringe en sådan strømoppsamleranordning som er kjemisk stabil i en gitt atmosfære ved driftstemperatur.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en strømoppsamleranordning av den aktuelle type som er innrettet for eventuelt regulerbar sammenpressing av brenselcellestabelen med tilhørende endeplater, for å unngå høye mekaniske belastninger og sikre optimale elektriske i kontaktforhold ved driftstemperatur.

For oppnåelse av ovennevnte formål ler det tilveiebrakt en anordning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at strømsamleren omfatter en plate som med den ene overflate er presset ;mot den tilhørende endeplate, idet den nevnte overflate er forsynt med et antall spor som strekker seg over en vesentlig del av platens areal, og som opptar respektive elektriske ledningstråder som er samlet i minst én ledningsbunt, idet trådene i sporene er dekket av et lag av edelmetall som rager noe over sporene og danner elektrisk forbindelse mellom ledningstrådene og vedkommende endeplate.

En fordelaktig utførelse av anordningen er kjennetegnet ved at den omfatter en kraftutøvende anordning som tillater varmeutvidelse av brenselcellestabelen og sørger for sammenpressing av stabelen med tilhørende endeplater med en ønsket kraft ved driftstemperatur.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utf ørelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk sideriss av en brenselcellestabel som omfatter en strømoppsamleranordning ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser et grunnriss av en utførelse av en strømsamlerplate i en anordning ifølge oppfinnelsen, fig. 3 viser et snitt etter linjen III-III på fig. 2, fig. 4 viser et forstørret snittriss av et sentralt parti av platen på fig. 2 - 3, fig. 5 viser et delsnitt etter linjen V-V på fig. 4, fig. 6 viser et grunnriss av en annen utførelse av en strømsamlerplate, og fig. 7 viser et sideriss av strømsamlerplaten på fig. 6.

I det skjematiske riss på fig. 1 er det vist en brenselcellestabel 1 bestående av et antall brenselcelleplater 2 som er stablet ovenpå hverandre mellom to endeplater, nærmere bestemt en topplate 3 og en bunnplate 4. Endeplatene forutsettes her å bestå av et ledende keramisk materiale, idet det dreier seg om en faststoffoksid-brenselcelle for høy temperatur, dvs. for en driftstemperatur på ca. 1000 °C. I elektrisk ledende forbindelse med hver av platene 3 og 4 er det anordnet en respektiv strømsamler 5 hhv. 6 som i den viste utførelse svarer til utførelsen ifølge fig. 2-5. Fra hver strømsamler utgår det en strømlederbunt 7 hhv. 8 som er ført gjennom en passende passasje i en tilhørende endeblokk 9 hhv. 10.

I den viste utførelse hviler brenselcellestabelen 1 på et underlag 11, og over brenselcellestabelen er det anordnet en trykkutøvende anordning 12 som presser sammen plateelementene i stabelen med en passende valgt kraft. Den trykkutøvende anordning 12 kan med fordel være en hydraulisk eller pneumatisk anordning, men kan alternativt bestå f .eks. av en fjær eller et lodd. Denne anordning sørger for elektrisk kontakt og for tetning i stabelen, og den tillater dessuten varmeutvidelse av stabelen og sørger for at strømsamlerne presses mot endeplatene med en ønsket kraft, både ved oppstarting og ved oppnådd driftstemperatur. Dette er vesentlig for å unngå oppbygging av uheldige eller skadelige mekaniske påkjenninger ved oppvarming til driftstemperatur, og for å sikre optimale elektriske kontaktforhold.

En utførelse av en strømoppsamleranordning ifølge oppfinnelsen er vist på fig. 2-5. Som vist omfatter strømsamle-ren en sirkulær, flat plate 15 som med den ene overflate 16 er beregnet å presses mot en endeplate 3 eller 4 i brenselcellestabelen 1, og da med en passende kraft slik som omtalt ovenfor. Overflaten 16 er forsynt med et antall spor 17 som strekker seg radialt fra en sentral åpning 18 i platen og til platens omkrets. Som vist på fig. 4, er det i sporene 17 anbrakt elektriske strømledere eller ledningstråder 19 som er ført gjennom den sentrale åpning 18 og deretter er samlet til en.ledningsbunt som er ført bort fra platen slik som ledningsbunterie 7 og 8 på fig.

1. Slik som videre vist på fig. 4, er platén 15 avrundet i åpningen 18, for skånsom bøyning av ledningstrådene 19. I

i

åpningen 18 er det plassert en konisk plugg 20 for strekkavlast-ning av ledningstrådene.

Slik det fremgår av fig. 4 og 5, ier trådene 19 i sporene 17 dekket av et lag 21 av edelmetall som rager noe over sporene, dvs. over platens overflate 16, og som beskytter trådene mot oksidasjon og danner elektrisk forbindelse1 mellom ledningstrådene 19 og vedkommende endeplate i brenselcellestabelen, dvs. platen 3 eller 4 på fig. 1. I den viste utførelse er lagene av edelmetall dannet av flatpressede tråder av det aktuelle metall.

Edelmetallet kan hensiktsmessig være platina.<1>

Ledningstrådene 19 er av en passende metall-legering, og kan f.eks. være av såkalt APM-kvalitet, dvs. en legering som i en oksiderende atmosfære danner et tynt, stabilt, ikke-ledende oksidsjikt på sin overflate. APM-trådene ér også mekanisk fleksible.

Antallet av APM-tråder og platinatråder kan varieres. Tverrsnittet av APM-trådene kan også varieres. En økning av tverrsnittet vil redusere spenningsfallet når det går strøm gjennom trådene. Materialet i selve platen 15 er fortrinnsvis av samme kvalitet som ledningstrådene 19, og platen og avlastnings-pluggen 20 er også fortrinnsvis av det samme[materiale. Platen fungerer bare som en støtte og styring for ledningstrådene og edelmetalltrådene. Ved at strømutføringen skjer via ledningstråder som er mekanisk fleksible, unngås uheldige mekaniske belastninger på brenselcellestabelen under drift.

I den viste utførelse med radiale spor i strømsamler-platen har sporene samme bredde og lengde, og opptar like lange lengder av ledningstråd. Slik det vil innses, kan et liknende arrangement, med i hovedsaken like lange spor og like lange ledningstråder, også oppnås med et annet sporarrangement enn radialt forløpende spor, samtidig som en stort sett sentral åpning for ledningstrådgjennomføring bibeholdes.

En annen utførelse av en strømsamlerplate 22 er vist på fig. 6 og 7. I denne utførelse er platen 22 rektangulær, og på sin ene overflate 23 forsynt med et antall i hovedsaken parallelle spor 24 som strekker seg mellom motstående sidekanter av platen. Sporene opptar ledningstråder 25, og i den viste utførelse er disse samlet i to grupper av ledningstråder som er ført til hver sin side av platen hvor de er samlet i en respektiv ledningsbunt 26 hhv. 27. Arrangementet av ledningstråder og beskyttende lag av edelmetall kan i andre henseender være slik som i utførelsen ifølge fig. 2 - 5, og det henvises derfor til den foregående beskrivelse av dette.

Claims

1. Strømoppsamleranordning for en brenselcellestabel (1) som omfatter et antall stabeldannende brenselcelleplater ( 2) mellom motsatte endeplater (3, 4), idet hver endeplate er forbundet med en strømsamler (5 hhv. 6), KARAKTERISERT VED at strømsamleren (5 hhv. 6) omfatter en plate (15; 22) som med den ene overflate (16; 23) er presset mot den tilhørende endeplate (3 hhv. 4), idet den nevnte overflate er forsynt med et antall spor (17; 24) som strekker seg over en vesentlig del av platens (15; 22) areal, og som opptar respektive elektriske ledningstråder (19; 25) som er samlet i minst én ledningsbunt (7 hhv. 8; 26, 27), idet trådene (19; 25) i sporene (17; 24) er dekket av et lag (21) av edelmetall som rager noe over sporene og danner elektrisk forbindelse mellom ledningstrådene og vedkommende endeplate (3 hhv. 4).

2. Anordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den omfatter en kraftutøvende anordning (12) som tillater varmeutvidelse av brenselcellestabelen (1) og sørger for sammenpressing av stabelen med tilhørende endeplater (3, 4) med en ønsket kraft ved driftstemperatur.

3. Anordning ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at den kraftutøvende anordning (12) er hydraulisk<1> eller pneumatisk i drevet. i

4. Anordning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at sporene (17; 24) har i hovedsaken samme bredde og samme lengde, og opptar like lange lengder av ledningstråd (19; 25).

5. Anordning ifølge ett av de ! foregående krav, KARAKTERISERT VED at den sporforsynte plate (15) har en sentralt anbrakt åpning (18) og spor (17) som strekker, seg radialt ut fra åpningen, idet ledningstrådene (19) er ført gjennom åpningen (18).

6. Anordning ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at det i den nevnte åpning (18) er anbrakt en mot ledningstrådene (19) anliggende strekkavlastningsplugg (20).

7. Anordning ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at strekkavlastningspluggen (20) og den sporforsynte plate (15) er fremstilt av det samme materiale.

8. Anordning ifølge ett av , kravene 1 - 4, KARAKTERISERT VED at den sporforsynte plate (22) omfatter et antall i hovedsaken parallelle spor (24), idet sporene opptar ledningstråder (25) som er samlet i minst én ledningsbunt (26 hhv. 27) utenfor platen (22).

9. Anordning ifølge ett av de1 foregående krav, KARAKTERISERT VED at lagene (21) av edelmetall er dannet av flatpressede tråder av det aktuelle metall.'

10. Anordning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at edelmetallet er platina.

11. Anordning ifølge ett av dé foregående krav, KARAKTERISERT VED at den sporforsynte plate (15; 22) er dannet av samme metallmateriale som ledningstrådene (19; 25).

12. Anordning ifølge krav 11, KARAKTERISERT VED at materialet er en metallegering som i en oksiderende atmosfære danner et tynt, stabilt, ikke-ledende oksidsjikt på sin overflate.