NO304719B1

NO304719B1 - Brennstoffcellebatteri

Info

Publication number: NO304719B1
Application number: NO904451A
Authority: NO
Inventors: Bruno Barp
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1990-01-09
Filing date: 1991-01-08
Publication date: 1999-02-01
Also published as: EP0437175A1; DE59003157D1; US5116696A; JPH0750169A; NO910077D0; EP0437175B1; CA2033768C; NO910077L; CA2033768A1; CH678775A5; JP3100988B2

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et mateelement for gass og luft og et brennstof f cellebatteri, ifølge kravinnledningen.

Det elektrokjemisk aktive element i en brennstoffcelle med faststoffelektrolytt består av en katode på hvilken oksygen-molekyler ioniseres ved opptak av elektroner, en anode på hvilken oksygenioner med hydrogen og/eller karbonmonoksid omsettes til vann hhv karbondioksid ved avgivelse av elektroner, samt den keramiske faststoffelektrolytt som forbinder de to elektroder og består av metalloksider og leder oksidioner. Oksygenionenes transport gjennom faststoffelektrolytten foregår ved diffusjon og er først tilstrekkelig virkningsfull ved høyere temperaturer, rundt 1 000°C, og kun for tynne sjikt, omkring 100 um. Jo lavere temperaturen er og jo tykkere elektrolytt sjiktet er, desto mindre faller brennstof f cellens virkningsgrad. Slike keramiske elektro-lytter er vanlig handelsvare. Det kan ventes at f aststof f elektro-lytter utvikles i fremtiden, som har gode virkningsgrader ved lavere temperaturer og større sjikttykkelser.

Fra EP 0 055 011 er en innretning kjent, med flere rørformede brennstoffceller, hvormed energi og varme utvikles av luft og brennbare gasser, især hydrogen og karbonmonoksid. En slik brennstoffcelle består av et porøst, luftgjennomtrengelig bærerør på hvis ytre overflate katode, faststoffelektrolytt og anode er pålagt som tynne, over hverandre liggende sjikt. Anoden, som danner det ytterste sjikt, og elektrolyttsjiktet er avbrutt på ett sted, som forløper over hele lengden av rørets aktive del. Denne strimmel er utformet som elektrisk kontaktsted for katoden. Brennstoffcellen er lukket i en ende. Til denne ende fører et materør for luft i bærerøret. Dette materør tjener også som varmeveksler. Den på forhånd oppvarmede luft opptar varme ved transporten gjennom materøret, som frigjøres ved de elektrokjemiske reaksjoner. Denne ytterligere oppvarming er fordelaktig for prosessf øringen. En innretning med slike brennstof f celler har den fordel at det ikke kreves tetninger mellom luftrommene og gassrommene. Derimot foreligger den ulempe at fremstillingen av slike brennstoffceller er omstendelig og derfor kostbar.

Ved en annen type brennstoffcelle med faststoffelek- trolytter er det elektrokjemisk aktive element plant. Det danner en plate med tynne sjikt, med på begge sider pålagte elektroder og hvor luften ikke må diffundere gjennom en porøs bærestruktur. Slike brennstoffceller kan fremstilles betydelig rimeligere enn de rørformede. Imidlertid oppstår her alvorlige problemer med avtetting mellom gass- og luftrommene. I tillegg føres ved disse anordninger gass og luft i tverr- eller motstrøm, noe som er ugunstig med hensyn til virkningsgrad og varmespenninger.

Det er foreliggende oppfinnelses oppgave å frembringe et brennstoffcellebatteri med plane celler hvor luft- og gassrommene med enkle midler kan avtettes, hvor parallellføring av gass og luft er mulig og hvor det foreligger små spenninger på grunn av ulike varmeutvidelser.

Løsningen av oppgaven fremkommer med et gass- og luftmateelement som beskrevet med trekkene i krav 1, og med en innretning med slike mateelementer ifølge den karakteriserende del av det uavhengige krav 9.

Mateelementene for gass og luft ifølge oppfinnelsen danner sammen med de elektrokjemisk aktive plater som er anordnet vekselvis, en stabel, hvor katode og anode i nærliggende plater er forbundet elektrisk ledende. Da elektrodene er meget tynne, filmer med en tykkelse på kun noen um, er elektronledningen langs overflatene forbundet med store elektriske motstander. For å holde de Ohmske tap små må de kontaktsteder elektronene ledes til og fra, være fordelt over hele elektrodeover f låtene. Den optimale avstand mellom kontaktstedene avhenger blant annet av elektro-denes ledningsevne og tykkelse. Elektronledende strukturer med slike kontaktsteder er nærmere definert i underkravene 2-5. Kravene 6-8 angår mateelementenes geometriske former og dermed også hele stabelens form.

Underkravene 10-16 angår ulike fordelaktige utførelser av brennstoffcellebatteriet ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen utmerker seg ved følgende fordeler. På grunn av ringformen kreves kun en tetning for hver celle eller trinn. Mateelementet for gass og luft og den elektrokjemisk aktive plate fremstilles som separate deler, noe som er enklere enn å fremstille cellene som enheter som forener de to delers funksjoner. På grunn av konstruksjonens todeling og rotasjonssym-metri er en varmeutvidelse mulig, som ikke hindres og derved kun utvikler små egenspenninger.

I det følgende beskrives oppfinnelsen på grunnlag av tegningen hvor figur 1 viser et lengdesnitt gjennom brennstoffcellebatteriet, figur 2a viser en elektronledende struktur som står i kontakt med en elektrokjemisk aktiv plate, figur 2b viser en annen utførelse av den elektronledende struktur, figur 3 viser et utsnitt av en elektronledende struktur som i tillegg har en strømomledende funksjon, figur 4 viser et utsnitt av et mateelement med ytterligere deler av brennstoffcellebatteriet, figur 5 viser et tverrsnitt gjennom en celle med samlekanal for den forbrukte gass, figur 6a viser en konisk plate og figur 6b viser en bølgeformet plate.

Brennstoffcellebatteriet 1 består av et større antall ens celler som er anordnet i stabel og koplet i serie. Figur 1 viser kun en slik celle. Stabelen lukkes i begge ender med spesielle endeelementer 3, 4. Cellen omfatter et mateelement 2 for gass og luft, med elektronledende strukturer 5 og to elektrokjemisk aktive plater 6 som deles med de tilstøtende celler. Cellene kan også defineres på annen måte, nemlig med den elektrokjemisk aktive plate 6 som sentral komponent og med mateelementene 2 som kun delvis tilhører cellen.

Cellen er sentralsymmetrisk, eksempelvis sirkelformet eller også polygonal. Mateelementet 2 har et plateformet hult legeme som tjener som varmeveksler 10 for den innmatede luft. Den varme som frigjøres ved elektrodereaksjonene opptas herved delvis av luften. Den resterende reaksjonsvarme føres bort med gassen. Varmeveksleren 10 danner også skilleveggen mellom gassrommet 11 og luftrommet 12. Gasstilførselen foregår via det sentrale rørstykke 13 hvis akse faller sammen med cellens symmetriakse. Gjennomføringsåpningene 14 for gassen kan være utformet som strupeelementer for å fordele gass ensartet til alle celler. Gassrommets 11 periferi er lukket med en perforert eller porøs, gassgjennomtrengelig vegg 15. Luften føres via radiale tilfør-selsrør 16 inn i varmeveksleren 10 og trenger ved det sentrale rørstykke 13 inn i luftrommet 12. Slik det tydelig fremgår tilføres gass og luft på en slik måte at det er mulig å oppnå en likestrømsføring på begge sider av de elektrokjemisk aktive plater 6. I varmevekslerens indre kan ribber 10a eller andre elementer sørge for en forsterket varmeoverføring. Med tilfør-selsrørene 16 er et sylindrisk veggstykke 17 forbundet, som danner mateelementets 2 ytre begrensning.

De elektronledende strukturer 5 ,som kun delvis er vist på figur 1, befinner seg i cellens 2 delkamre 11 og 12. De står med kontaktelementene 5a i forbindelse med anoden 6a, hhv katoden 6b. Disse forbindelser kan være frembrakt som strukturforbindelser ved diffusjonssveising eller lodding. Kontaktelementene 5a er utformet fjærende og kan reagere fleksibelt i aksial og radial retning når eksempelvis deformasjoner oppstår på grunn av varmeutvidelse. De elektronledende strukturer 5 står også i elektrisk kontakt med varmeveksleren 10 som likeledes er elektrisk ledende. Herved fremkommer den elektriske forbindelsen mellom anoden 6a og katoden 6b i tilstøtende elektrokjemisk aktive plater 6. Strukturene 5 bidrar også til varmeovergangen mellom elektrodene 6a, 6b og varmeveksleren 10.

Kontaktelementene 5a trykkes mot de elektrokjemisk ledende plater 6. Da disse plater 6 er meget tynne, om lag 150 um, er det fordelaktig at kontaktstedene alltid er anordnet på begge sider parvis slik det fremgår av figur 1.

I motsetning til den på figur 1 viste utførelse, må de elektronledende strukturer 5 i en variant, ikke danne den elektriske kontakt fordelt over hele varmeveksleren 10. Dersom strukturene 5 er elektrisk ledende, sammenhengende strukturer, er ett eneste kontaktsted tilstrekkelig for den elektriske forbindelse. En ytterligere elektrisk ledning kan så danne bro over varmeveksleren 10.

Brennstoffcellebatteriets 1 celler spennes sammen med et strekkelement 30. Herved vil en elektrokjemisk aktiv plates 6 ringområde komme til å ligge mellom ved siden av hverandre anordnede, sentrale rørstykkers 13 flenser 13a, med minst en åpning innenfor rørstykket 13 og en tetningsring 20. Denne tetningsring 20 som eksempelvis består av keramikkfilt, hindrer inntrenging av gass i luftrommet 12.

Mateelementenes 2 sylindriske veggstykker 17 har mellomrom mellom tilstøtende celler som overdekkes av ringer 18 av elektrisk isolerende materiale. Disse ringer 18 er påsatt løst og skal gi veggstykkene 17 tilstrekkelig klaring slik at en aksial bevegelse av cellen ikke hindres, imidlertid skal klaringen være så liten at kun lite luft kan trenge inn gjennom mellomrommene.

I ringrommet 50 mellom veggstykkene 17 og varmevekslerens 10 periferi kan den forbrukte gass som imidlertid fremdeles inneholder brennstoff, brennes sammen med den luft som trenger ut av luftrommene 12.

Endeelementene 3, 4 tilsvarer i det vesentlige mateelementenes 2 ene sider. Det nedre endeelement 3 danner bunnen i brennstof f cellebatteriets 1 hus. Det øvre element 4 er i den viste utførelse elektrisk ledende og via en f jærbelg 19 forbundet med den øvre del 40 i husets vegg. En ringformet elektrisk isolator 41 forbinder overdelen 40 med det nedre element 3. Overdelen 40 danner brennstoffcellebatteriets 1 positive pol og husets bunn 3 danner den negative. Polene er på figur 1 vist symbolsk med pluss- hhv minustegn i sirkler.

Luften tilføres brennstof f cellebatteriet 1 via stussene 42 og gassen tilføres via stussene 43. Avgassen forlater anordningen via stussene 44. Med den varme avgass forvarmes den friske luft i en ikke vist rekuperator. Også gassen forvarmes med fordel før den tilføres brennstoffcellebatteriet 1. Med pilene på figur 1 er luftens (L), gassens (G) og avgassens (A) strøm-ningsretninger angitt.

Strekkelementet 30 hvormed cellestabelen spennes sammen, kan eksempelvis etterspennes med en trykkfjær 31 som er anordnet utenfor huset. Hele anordningens konstruksjon er slik utført at stabelen uhindret kan ettertrekkes dersom tetningsringene 20 skulle gi etter og således opprettholde tettheten. Strekkelementet 30 trykker med en dekkplate 32 via en tetningsring 33 mot cellestabelen. Strekkelementets 30 gjennomføring gjennom husets bunn er utstyrt med en fjærbelt 45 som hindrer avgivelse av gass til omgivelsen.

Prinsipielt kunne brennstoffcellebatteriets konstruksjon endres dit hen at lufttilførselen foregår sentralt innenfra og gasstilførselen fra periferien. Denne løsning vil imidlertid være mindre fordelaktig da tetningsringene som da kom til å ligge mot cellestabelens periferi, måtte utføres meget større enn ved anordningen ifølge oppfinnelsen. Figur 2a og 2b viser med to eksempler hvorledes de elektronledende strukturer 5 kan fremstilles av tråd. Kontaktelementene 5a, enten i form av bølgeformede trådstykker 5a' som vist på figur 2a eller i form av trådløkker 5a" som vist på figur 2, festes til en trådveving, idet flere løkker kan være anordnet på en eneste tråd. Figur 2a viser også del av den elektrokjemisk aktive plate 6. Pilene på anoden 6a viser elektronenes e baner, som beveger seg mot kontaktelementet 5a'. Figur 3 viser et utsnitt av elektronledende struktur 5 som i tillegg har en strømningsledende funksjon. Figur 4 viser stiplet hvorledes like strømningsledende strukturer 5 kan være anordnet i gassrommet 11. Med den spiralformede anordning sikres at gassen optimalt kommer til vekselvirkning med elektroden. Den elektronledende struktur 5 på figur 4 er en variant av den på figur 3 viste utførelse og tilsvarer den på figur 1 viste form. Disse elektronledende strukturer 5 består av tynne metallplate-strimler hvor s-formede kontaktelementer 5a er dannet ved bøying av tungeformede delstykker.

Tilsvarende kan også elektronledende strukturer 5 benyttes i luftrommet 12, med en strømningsledende funksjon. Selvsagt kan også strømningsledende elementer benyttes, som ikke har elektronledende funksjoner.

Figur 5 viser del av en celle hvor den forbrukte gass suges ut i en torusformet kanal 51 og føres bort fra brennstoffcellebatteriet 1 via minst en samleledning 52 som er forbundet med alle celler. Denne gass kan delvis innblandes i den tilførte gass og/eller brennes utenfor anordningen 1.

Ved drift av brennstoffcellebatteriet 1 foreligger i radial retning temperaturgradienter som fører til varmespenninger. Dersom de elektrokjemiske aktive plater 6 er lett koniske eller bølgeformede, slik det er vist på figur 6a, b, kan disse spenninger nedbygges med platenes 6 deformasjoner.

Claims

1. Mateelement (2) for gass og luft til et brennstoffcellebatteri (1) med elektrokjemisk aktive plater (6), hvor en slik plate består av en sjiktformet faststoffelektrolytt som leder oksidioner og som på begge sider er belagt med materialer som egner seg for elektrodereaksjonene og for den elektriske ledning, KARAKTERISERT VED at minst ett, i det minste tilnærmet sentralsymmetrisk, plateformet hult legeme tjener som varmeveksler (10) for luften og danner en begrensning mellom et gassrom (11) og et luftrom (12), at varmevekslerplaten (10) i det sentrale område gjennomtrenges av et rørstykke (13) i symmetri-aksens retning, og at dette rørstykke (13) har flensformede ender (13a, 13b) idet videre luftstrømmen føres gjennom varmeveksleren (10) fra periferien mot sentrum og gasstrømmen føres til gassrommet via det sentrale rørstykke (13).

2. Element ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at elektronledende strukturer (5) er anordnet i det tilgrensende luftrom og i gassrommet (11), som med kontaktelementer (5a) danner den elektriske forbindelse med de elektrokjemisk aktive platers (6) overflater, og at disse strukturer (5) er forbundet elektrisk ledende med hverandre i de to tilgrensende rom (11, 12).

3. Element ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at varmeveksleren (10) er elektrisk ledende og at overflatene mot luft og gass står i elektrisk kontakt med de elektronledende strukturer (5).

4. Element ifølge krav 2-3, KARAKTERISERT VED at de elektronledende strukturers (5) kontaktelementer (5a) er fjærende og er fleksible i aksial og radial retning.

5. Element ifølge krav 2-4, KARAKTERISERT VED at de elektronledende strukturer (5) har en gass- hhv luftstrømledende funksjon.

6. Element ifølge krav 1-5, KARAKTERISERT VED at varmevekslerplatene (10) har sirkelform.

7. Element ifølge krav 1-5, KARAKTERISERT VED at varmevekslerplatene (10) har polygonal form, især en regelmessig polygon.

8. Element ifølge krav 1-7, KARAKTERISERT VED at det sentrale rørstykke (13) har flenser (13a, 13b) anordnet parallelt med varmevekslerplaten (10).

9. Brennstof f cellebatteri (1) med mateelementer (2) ifølge krav 1-8, KARAKTERISERT VED at de elektrokjemisk aktive plater (6) vekselvis danner en stabel med mateelementene (2) og at en elektrokjemisk aktiv plate (6) er innspent med en tetningsring (20) mellom de flensformede ender (13a, 13b) på tilstøtende mateelementers sentrale rørstykker (13), idet tetningsringen (20) er anordnet mot luftrommet.

10. Batteri ifølge krav 9, KARAKTERISERT VED at de elektrokjemisk aktive plater (6), mateelementene (2) og tetningsringene (20) er sammenspent med et sentralt anordnet og akseret-ningen forløpende strekkelement (30).

11. Batteri ifølge krav 9-10, KARAKTERISERT VED at de elektronledende strukturers (5) kontaktelementer (5a) med en fjærkraft utover et trykk mot de elektrokjemisk aktive plater (6).

12. Batteri ifølge krav 9-11, KARAKTERISERT VED at de elektronledende strukturer (5) er forbundet med de elektrokjemisk aktive plater (6) med elektrisk ledende strukturforbindelser.

13. Batteri ifølge krav 9-12, KARAKTERISERT VED at de elektrokjemisk aktive plater (6) har en lett konisk form.

14. Batteri ifølge krav 9-12, KARAKTERISERT VED at de elektrokjemisk aktive plater (6) har en lett bølget form.

15. Batteri ifølge krav 9-14, KARAKTERISERT VED at et ringrom (50) er anordnet i stabelens periferi og tjener til forbrenning av den forbrukte gass som fremdeles inneholder brennstoff.

16. Batteri ifølge krav 9-14, KARAKTERISERT VED at gassrommets (11) periferi omsluttes av ringkamre (51) for å transportere den forbrukte gass bort.