NO306087B1 - Brenselcelle - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en generatorkonstruksjon for brenselceller.

Fastoksidbrenselcellegeneratorer for høytemperatur-drift er velkjente, og omtales i US-patenter 4.876.163 og 4.808.491. Der er rørformede brenselceller med fastoksidelektrolytt plassert i et generatorkammer som er avgrenset av et deksel av aluminiumoksidplater. I større generatorer anvendes det isolerende skillesjikt (divider sheets) vanligvis mellom to cellebuntrekker, idet nevnte bunter vanligvis inneholder fra 12 til 36 eller flere brenselceller, og de kan også anvendes mellom individuelle brenselcellerekker.

I disse høytemperaturbrenselceller, omsettes luft og brensel slik at det dannes varme og elektrisitet. Direkte anvendelse av hydrokarbonbrensler, slik som metan, etan, blandinger av hydrokarboner slik som naturgass (CH4+ C2H6), eller alkoholer såsom etanol kan danne kull på brenselcellene og andre generatorkomponenter, og kan så-ledes redusere brenselcellenes effektivitet ved at gass-transporten blokkeres og ved at det frembringes baner for elektrisk kortslutning. Som et starttrinn blandes disse hydrokarbonbrenselblandinger vanligvis med vanndamp og reformeres, d.v.s. konverteres til CO og H2, ved anvendelse av en katalysator, vanligvis platina eller nikkel eller forbindelser av disse. Reformeringsreaksjonen er endotermisk (krever varmetilførsel) og utføres best ved temperaturer nær opp til fastoksidbrenselcellens (9000C til l.OOOOC) driftstemperatur. Reformering av brensel utenfor generatoren er uønsket, fordi det medfører et energitap i form av varmetap fra reformeren og fra for-bindelseskanalene, og det gjør at systemet får en større fremstillingskostnad og blir komplisert. I US-patent 4.374.184 ble det gjort et forsøk på å løse dette pro-blemet ved hjelp av reformering direkte på den av hver rørformet brenselcelles ender som med hensikt var kon-struert som inaktiv. Dette medførte imidlertid en drastisk nedsettelse av det aktive brenselcelleareale innenfor cellestabelen.

I virkelige generatorer er det vanskelig å overføre den varme som er nødvendig for den endotermiske reformering uten at det skapes for store temperaturdiffenser innenfor cellestabelen og i reformeren. For å forebygge for store temperaturgradienter, må luftstrøm til cellene økes utover hva som er påkrevet til reaksjonen med brenselet. Selv om disse fremgangsmåter frembringer an-vendbar intern reformering, er det behov for en intern reformer med bedre ytelse. Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en slik intern reformer.

I samsvar med dette vedrører oppfinnelsen en brenselcelledrevet generatorkonstruksjon, som kjennetegnes av et antall elektrisk forbundne, aksialt langstrakte, rør-formede brenselceller i et generatorkammer, hvilke brenselceller generer varme under brenselcelledrift, idet hver celle har en lukket ende og en åpen ende og omfatter en ytre og en indre elektrode med fastoksidelektrolytt derimellom. Langstrakte skillelegemer separerer og er anordnet mellom brenselcellene, og hvor i det minste et av de langstrakte skillelegemene er hult, idet det har massive langstrakte vegger, en lukket ende nær brenselcellenes åpne ende og et innløp for reformerbar brenselblanding nær brenselcellenes lukkede ende, hvor innløpet for reformerbar brenselblanding er forbundet med i det minste en tilførselskanal innenfor det hule skillelegeme og en returkanal med et utløp for reformert brensel til brenselcellene for å muliggjøre at reformerbar brensel blanding strømmer til den lukkede enden til skillelegemet for deretter å reversere tilbakestrømningen, og for å muliggjøre separat indre endotermisk reformering i det hule skillelegemet og som muliggjør et økt varmevekslings-område med reformert varmeforbruk fordelt langs hele lengden til brenselcellene uten reduksjon av det aktive området til brenselcellene, og for å muliggjøre at reformerbar brenselblanding til slutt strømmer som reformert brensel til kontakt med brenselcellene, og hvor skilletverrsnittet inneholder et katalytisk reformeringsmateriale. Uttrykket "skilletverrsnitt" slik det anvendes heri, angir skilleveggsområdet og det hule område innenfor nevnte vegger.

Fortrinnsvis bør det reformerte brensel strømme gjennom et utløp for reformert brensel innenfor skillet og på motsatt side av skillets lukkede ende og nær cellenes lukkede ender, og deretter strømme i kontakt med brenselcellenes ytre elektroder, og den reformerbare brenselføde vil strømme gjennom senteret av materør som fungerer som matekanaler innenfor skillet, til skillets øvre lukkede ende. På eller innenfor skilleveggen eller i den hule seksjon mellom materørene og de innvendige skillevegger befinner det seg fortrinnsvis katalytisk reformeringsmateriale. Oksidasjonsmiddel strømmer gjennom oksidasjons-middelmaterør som er innsatt i cellenes åpne ender og returnerer langs den indre elektrode, for så å strømme ut ved cellens åpne ende.

Siden reformering er en endotermisk reaksjon, kan varmeforbruk til reformeringen ved anvendelse av konstruk-sjonen ifølge oppfinnelsen fordeles langs brenselcellenes aksiale lengde ved et antall lokaliseringer mellom brenselcellegrupper eller -bunter. Dermed økes varme-vekslerarealet i betydelig grad og overskuddsvarme som må fjernes av oksidantgass-strømmen reduseres i betydelig grad. Denne konstruksjon anvender plass som allerede må være tilstede mellom brenselcellene og minsker ikke brenselcellenes aktive areal. Plassering av brensel-blandingsinnløpet og utløpskanalene for reformert brensel, så vel som orienteringen av strømningspassasjene innenfor skillets tverrsnitt kan velges på grunnlag av generatorut-forming og produksjonsmessige krav.

For at oppfinnelsen tydeligere skal forstås, vil

konvensjonelle utførelser av denne nå beskrives ved hjelp av eksempel, under henvisning til den medfølgende tegning, som i et delvis tverrsnitt viser et parti av en generator med tre cellebunter med hule reformer-separatorer derimellom; en hul separator med en rørformet indre matekanal og en annen separator med en massiv delevegg danner en innvendig matekanal.

Idet det nå henvises til fig. 1, er det vist et parti av en elektrokjemisk brenselcelledrevet generatorkonstruksjon 10 for høytemperaturdrift med et generatorkammer 14og kammer 16 for forbrenning av forbrukt brensel-/oksidant f orvarming . Et deksel, ikke vist, fortrinnsvis av stål som på innersiden er foret med isolasjonsplater av aluminiumoksid omgir alle kamrene. Det er vist et antall rørformede elektrokjemiske brenselceller 40. Cellene er langs deres lengde elektrisk forbundet eksempelvis ved hjelp av et porøst nikkelfibermateriale 54, og har en lukket ende 44 og en åpen ende 42. Oksidant, såsom luft A, mates gjennom materør 20 som er innsatt i den åpne ende 42, og reformert brensel såsom hydrogen og karbonmonoksid, føres over cellenes 40 utside.

De rørformede brenselceller 40 inneholder en ytre porøs brenselelektrode og en indre, porøs luftelektrode med fastoksidelektrolytt, såsom yttriumoksidstabilisert zirkoniumoksid derimellom. Den ytre, porøse brenselelektrode kan fortrinnsvis fremstilles av nikkel/zirkoniumoksid keramisk metall og den indre porøse luftelektrode, som kan være båret på et porøst keramisk rør, kan fortrinnsvis fremstilles av, eksempelvis, et oksid av perov-skittfamilien, såsom lantanmanganitt, som er egnet dopet.

Et antall aksialt langstrakte celler som danner cellebunter 60, separeres ved hjelp av langstrakte skiller. Noen av de langstrakte skiller kan være massive enheter av porøst aluminiumoksidfiberkleder eller -plater med tykkelse opptil ca. 3 cm (ikke vist), og i det minste et annet skille vil være de kombinerte reformerskiller som er vist som 62. Disse skiller med tosidig formål er som vist hule og kan som det er vist ha massive, langstrakte metall- eller aluminiumoksidvegger, og disse kan ved behov være porøse eller ikke-porøse. Et reformer-skilles lukkede ende er vist ved 63.

Hvert av reformer-skillene 63 har et innløp 64 for reformerbar brenselfødeblanding F, såsom naturgass, nær brenselcellenes (40) lukkede ender 44, og en type kanal av en eller annen form innenfor reformer-skillet. Denne kanal som eksempelvis kan foreligge i form av rør 66 eller som kan dannes ved hjelp av en delevegg 68, muliggjør at den reformerbare brenselfødeblanding på innsiden av reformer-skillet 62 strømmer til reformer-skillets lukkede endetopp 63 nær brenselcellenes åpne ender 42, og deretter tilbake til utløpet i form av reformert brenselcelle-brensel, via en sirkulasjonsfordeler 82 nær brenselcellenes lukkede ende 44.

Som det er vist på tegningene, strømmer den reformerbare brenselblanding, når rørene 66 anvendes, slik som i det sentrale reformer-skille, med utgangspunkt i rørets (64) innløp, til rørets topp 70 hvor den reformerbare brenselblanding løper ut, endrer strømmingsretning, og strømmer tilbake nedover reformer-skillet. Når en enkelt delevegg 66 anvendes, strømmer den reformerbare brenselblanding fra inngang 64, langs deleveggens ene side, i den kanal som dannes ved hjelp av deleveggen og skilleveggene, til deleveggens topp 71, over deleveggens topp, hvor den reformerbare blanding endrer strømmingsretning og strømmer tilbake nedover reformer-skillet i den kanal som dannes ved hjelp av deleveggen og den andre skillevegg.

Katalytisk reformeringsmateriale kan plasseres innenfor skillets tverrsnitt, eksempelvis som et belegg på eller innenfor det hule separator-skillets sidevegger 72, eller som en pakning innenfor kammerområdet 74 mellom røret 66 og separator-skillets sidevegger; eller på mate-siden 76 og/eller tilbakeløpssiden 78 som dannes av dele vegg 68, d.v.s på deleveggens 68 ene eller begge sider. Det katalytiske reformeringsmateriale inneholder en katalysator som kan reformere hydrokarbonbrenselføde, og der-som det i partiene 74, 76 eller 78 anvendes som en seng (bed) bør det ikke pakkes så tett at det i overdreven grad begrenser gass-strømmen. Reformeringsmaterialet inneholder fortrinnsvis i det minste et av materialene platina og nikkel, og innhold av nikkel er mest foretrukket.Refor-meringsmaterialet kan foreligge i form av en film, et belegg, metallfibre, pellets eller partikler som i seg selv eller sammen med aluminiumoksidfilamenter har høy spesifikk overflate, som et belegg på aluminiumoksidfilamenter og lignende, og kan også inneholde effektive mengder additiver som vil hjelpe til å begrense kullav-leiringer .

Denne reformering er en prosess i hvilken brenselet kombineres med vann og/eller karbondioksid for å frembringe en reformerbar brenselblanding som når den i varme omgivelser kommer i kontakt med katalytisk reformeringsmateriale som er egnet til hydrokarbonbrenselet vil produsere karbonmonoksid og hydrogen. Eksempelvis kan reformering av metan og etan (naturgass) forløpe som følger:

Brenselblandingen tilføres vanligvis vann i overskudd for at tendensen til kullavleiring skal bli redusert. Etter reformering, strømmer det reformerte brensel ut av skillet og kommer i kontakt med brenselcellene 40, idet det passerer strømmingsfordeler 82 og munninger 84 nær bunnen 44 av brenselcellene.

I et foretrukket eksempel, kan kanalene være en serie hule keramiske eller høytemperatur-resistente metallrør innenfor uthulede deleplater av aluminiumoksid, og nikkel-partikler som fungerer som reformeringskatalysatorer holdes fast innenfor kammerområdet mellom rørene og innsiden av aluminiumoksid-deleveggenes plater.

Reformert brensel ledes inn i ankommer generatorkammer 14 gjennom munninger 84 nær brenselcellenes lukkede ender og strømmer utover cellenes omkrets. Brenselet reagerer elektrokjemisk med det oksygen som passerer fra luften gjennom fastelektrolytten, og når frem til de porøse barrierer 90 i utarmet form. Det varme, utarmede brensel passerer gjennom barrieren, inn i forvarmings-kammeret 16, hvor det reagerer direkte med den oksygen-utarmede luft 92 som vender tilbake fra brenselcellene, noe som allerede er velkjent. Den følbare varme i det utarmede brensel og i den utarmede luft, såvel som reak-sjonsvarmen, anvendes til å forvarme inngående luft. Produktene av det direkte samvirke mellom brensel og luft slippes deretter ut fra forvarmekammeret, og produktenes varmeenergi kan eksempelvis med fordel anvendes til å forvarme inngående reaktanter i konvensjonelle metalliske varmevekslere.

Claims (5)

1. Generatorkonstruksjon (10) for brenselceller,karakterisert vedat den omfatter et antall elektrisk forbundne, aksialt langstrakte, rør-formede brenselceller (4 0) i et generatorkammer (14), hvilke brenselceller (40) generer varme under brenselcelledrift, idet hver celle har en lukket ende (44) og en åpen ende (42) og omfatter en ytre og en indre elektrode med fastoksidelektrolytt derimellom, at langstrakte skillelegemer (62) separerer og er anordnet mellom brenselcellene (40), og hvor i det minste et av de langstrakte skillelegemene (62) er hult, idet det har massive langstrakte vegger, en lukket ende (63) nær brenselcellenes åpne ende (42) og et innløp (64) for reformerbar brenselblanding nær brenselcellenes lukkede ende (44), hvor innløpet for reformerbar brenselblanding er forbundet med i det minste en tilførselskanal innenfor det hule skillelegeme og en returkanal med et utløp for reformert brensel til brenselcellene for å muliggjøre at reformerbar brenselblanding strømmer til den lukkede enden til skillelegemet for deretter å reversere tilbakestrømningen, for å muliggjøre separat indre endotermisk reformering i det hule skillelegemet og som muliggjør et økt varmevekslings-område med reformert varmeforbruk fordelt langs hele lengden til brenselcellene (40) uten reduksjon av det aktive området til brenselcellene, og for å muliggjøre at reformerbar brenselblanding til slutt strømmer som reformert brensel til kontakt med brenselcellene, og hvor skilletverrsnittet inneholder et katalytisk reformeringsmateriale.

2. Konstruksjon i samsvar med krav 1,karakterisert vedat matekanalen innenfor skillelegemet er dannet av en delevegg (68).

3. Konstruksjon i samsvar med krav 1,karakterisert vedat matekanalen innenfor skillet utgjøres av i det minste et hult materør (66) hvor den reformerbare brenselføde kan strømme gjennom dets senter.

4. Konstruksjon i samsvar med krav 1,karakterisert vedat det katalytiske reformeringsmateriale omfatter i det minste et av platina og nikkel.

5. Konstruksjon i samsvar med krav 1,karakterisert vedat de hule skillelegemer er frem-stilt av aluminiumoksid.