PL220309B1 - Bateria ogniw paliwowych - Google Patents

Bateria ogniw paliwowych

Info

Publication number
PL220309B1
PL220309B1 PL401300A PL40130012A PL220309B1 PL 220309 B1 PL220309 B1 PL 220309B1 PL 401300 A PL401300 A PL 401300A PL 40130012 A PL40130012 A PL 40130012A PL 220309 B1 PL220309 B1 PL 220309B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
battery
sided
cells
double
dfc
Prior art date
Application number
PL401300A
Other languages
English (en)
Other versions
PL401300A1 (pl
Inventor
Zbigniew Magoński
Barbara Dziurdzia
Original Assignee
Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie filed Critical Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie
Priority to PL401300A priority Critical patent/PL220309B1/pl
Priority to PL13460069T priority patent/PL2722915T3/pl
Priority to EP13460069.1A priority patent/EP2722915B1/en
Priority to US14/057,001 priority patent/US8778550B2/en
Publication of PL401300A1 publication Critical patent/PL401300A1/pl
Publication of PL220309B1 publication Critical patent/PL220309B1/pl

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8621—Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8626—Porous electrodes characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8875—Methods for shaping the electrode into free-standing bodies, like sheets, films or grids, e.g. moulding, hot-pressing, casting without support, extrusion without support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/1226—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest bateria ogniw paliwowych średniej mocy, która może być wykorzystana jako autonomiczny generator prądu elektrycznego lub stanowić uzupełnienie systemu zasilania dla indywidualnego gospodarstwa domowego.
Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe umożliwiają uzyskanie wysokich sprawności w procesie przetwarzania energii chemicznej na energię elektryczną. Zaletą tych konwerterów jest cicha praca bez wibracji mechanicznych oraz bardzo korzystny stosunek ciężaru urządzenia i jego gabarytów do wartości generowanej mocy elektrycznej. Przewiduje się, że konwertery elektrochemiczne stanowić będą komplementarne wyposażenie generatorów prądu pozyskujących energię z odnawialnych źródeł energii, takich jak: ogniwa słoneczne lub elektrownie wiatrowe, które nie są w stanie zagwarantować ciągłej dostawy energii w pełnym cyklu dobowym.
Typowe wysokotemperaturowe ogniwo paliwowe zawiera elektrolit stały, zazwyczaj wykonany na bazie ceramiki cyrkonowej, stabilizowanej itrem. Po obu przeciwległych stronach cienkiej warstwy elektrolitu umiejscowione są, transparentne dla gazów, elektrody: anoda i katoda. W wysokiej temperaturze ceramika cyrkonowa wykazuje silne przewodnictwo jonowe. Wskutek różnicy parcjalnych ciśnień tlenu po obu stronach elektrolitu następuje jego polaryzacja, ponieważ przez warstwę ceramiki cyrkonowej mogą przemieszczać się tylko jony tlenu, które powstają w warstwie katody wskutek rozkładu tlenu cząsteczkowego i pobraniu z katody wolnych elektronów. Zatem, katoda zostanie spolaryzowana dodatnio, natomiast po stronie anody na skutek reakcji jonów tlenu z paliwem, czyli wodorem lub tlenkiem węgla, uwolnione zostaną wolne elektrony, co w konsekwencji spowoduje jej polaryzację ujemną. Dołączenie do elektrod zewnętrznego obwodu elektrycznego spowoduje przepływ prądu elektrycznego, który zrównoważy wewnętrzny prąd jonowy.
Z polskiego opisu patentowego nr 213349 znane jest ogniwo paliwowe, które ma płaskie warstwowe podłoże ceramiczne, którego rdzeń stanowi centralna ceramiczna płytka o dużej gęstości i sztywności, która trwale połączona jest z porowatymi warstwami cementowymi, w których to warstwach wykonane zostały kanały rozprowadzające. Tak wykonane ceramiczne podłoże ma, po obu stronach na części powierzchni, nałożone i trwale zespolone z podłożem ceramiczne warstwy elektrolitu stałego, które z kolei na części swej powierzchni pokryte są warstwami elektrodowymi, które z kolei na części swej powierzchni pokryte są warstwami kontaktowymi. Wymieniony opis przedstawia również przykładowy układ aplikacji ogniw do realizacji konwertera energii elektrochemicznej na energię elektryczną, w którym baterię ogniw paliwowych osłania piankowa ceramiczna izolacja termiczna.
Z amerykańskich opisów patentowych nr US 4,276,355 i US 7,531,053 znane są płytkowe konstrukcje konwerterów energii chemicznej na energię elektryczną, które zawierają wiele połączonych elektrycznie ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe ułożone są w stosie, przy czym każda ceramiczna struktura ogniwa umiejscowiona Jest pomiędzy dwiema płytkami. Każda z płytek stanowi separator pomiędzy kolejnymi ceramicznymi strukturami i ma wykonane po obu stronach otwarte podłużne kanały przeznaczone do przesyłu paliwa i powietrza, przy czym kanały do przesyłu paliwa ustawione są względem kanałów do przesyłu powietrza ortogonalnie. Separatory przedstawione w opisie US 7,531,053 wykonane są ze stali nierdzewnej o termicznym współczynniku rozszerzalności liniowej zbliżonym do termicznego współczynnika rozszerzalności liniowej elektrolitu.
Zaletą konwerterów płytkowych jest stosunkowo duża wartość mocy elektrycznej generowanej w małej objętości, co sprawia, że możliwe jest zastosowanie izolowanej komory o małych gabarytach, a w konsekwencji przekłada się na relatywnie małe straty ciepła, ponieważ ilość ciepła rozproszonego jest proporcjonalna do powierzchni komory. Jednakże zwarta konstrukcja baterii ogniw uniemożliwia szybkie rozgrzewanie i schładzanie ogniwa. Ten parametr jest szczególnie krytyczny w urządzeniach średniej i dużej mocy, ponieważ wymagany bezpieczny czas rozgrzewania może dochodzić do 24 godzin. Tak długi czas uruchamiania baterii ogniw sprawia, że nie mogą one być stosowane jako urządzenia awaryjne lub urządzenia uzupełniające niedobór energii w godzinach szczytowego poboru energii elektrycznej.
Zaproponowana nowa konstrukcja baterii ogniw według wynalazku umożliwia znaczne skrócenie procesu uruchamiania i tym samym może się okazać przydatna zwłaszcza dla zastosowań, w których niezbędna jest szybka reakcja na niedobór energii elektrycznej.
Istotą wynalazku jest bateria ogniw paliwowych, w której każde ogniwo dwustronne ma centralny kolektor prądu anodowego, który po obu stronach ma wykonane kanały rozprowadzające paliwo oraz kanały operacyjne, które są trwale połączone z laminatem składającym się z operacyjnej warstwy
PL 220 309 B1 anodowej oraz warstwy elektrolitu stałego. Centralny kolektor prądu anodowego jest zbudowany z tego samego materiału cermetowego co operacyjna warstwa anodowa. Ogniwa dwustronne są połączone ze sobą za pośrednictwem elastycznych separatorów i ściągnięte razem za pomocą prętów ściągających i umiejscowione wewnątrz izolowanej termicznie komory. Ponadto, wewnątrz komory umiejscowiono także urządzenia służące do kontroli temperatury, takie jak nagrzewnice, absorbery ciepła oraz urządzenie wymuszające cyrkulację powietrza.
Korzystnie, centralny kolektor prądu anodowego zawiera wbudowane metalowe struktury przewodzące, przy czym metalowe struktury przewodzące korzystnie mogą są zrealizowane na bazie niklu.
Docisk ogniw dwustronnych do elastycznych separatorów zapewniają pręty ściągające, których zewnętrzne powierzchnie, korzystnie są pokryte izolatorem ceramicznym. Ponadto, dociskowe połączenie ogniw dwustronnych do elastycznych separatorów uszczelniono za pośrednictwem podkładek uszczelniających, korzystnie wykonanych z miki.
Nagrzewnice baterii usytuowane są równolegle do stosu ogniw dwustronnych oraz są usytuowane prostopadle do kierunku strumienia gazów cyrkulujących wewnątrz izolowanej termicznie komory. Również absorbery ciepła usytuowane są równolegle do stosu ogniw dwustronnych oraz są usytuowane prostopadle do kierunku strumienia gazów cyrkulujących wewnątrz izolowanej termicznie komory.
Bateria ma urządzenie wymuszające cyrkulację powietrza wewnątrz izolowanej termicznie komory, które stanowi wirnik odśrodkowy.
W wersji alternatywnej bateria ma urządzenie wymuszające cyrkulację gazów wewnątrz izolowanej termicznie komory, które stanowi liniowy dystrybutor strumieni utleniacza, a czynnikiem wymuszającym cyrkulację są rozprowadzone za pośrednictwem dystrybutora oraz ukształtowane za pośrednictwem dysz strumienie świeżego utleniacza.
Ogniwa dwustronne w baterii połączono elektrycznie za pomocą taśmy metalowej.
Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania ujawniono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia budowę struktury ceramicznej ogniwa ogniw, Fig. 2 przedstawia sposób łączenia ogniw w baterię, Fig. 3A i Fig 4, przedstawiają przykładowe wykonanie elektrochemicznego konwertera energii, natomiast Fig. 3B przedstawia wykonanie alternatywne, w którym zastosowano liniowy dystrybutor strumieni utleniacza jako pompę strumieniową wymuszającą cyrkulację powietrza wewnątrz izolowanej termicznie komory.
Płaskie ogniwo dwustronne DFC stanowiące podstawowy element baterii, przedstawione na Fig. 1, ma centralny kolektor prądu anodowego 1, który wyposażony jest w centralny rdzeń anody o dużej przewodności elektrycznej, korzystnie zawierający wbudowane struktury metaliczne 2 na bazie niklu. Centralny kolektor prądu anodowego 1, ma obu stronach wykonane są kanały rozprowadzające 3 i kanały operacyjne 4 doprowadzające paliwo do operacyjnej warstwy anodowej 5. Operacyjne warstwy anodowe 5 wykonane są z porowatego materiału ceramicznego zawierającego ceramikę cyrkonową oraz nikiel. Warstwy te mają strukturę ceramiczną zbliżoną do materiału z którego zbudowano centralny kolektor prądu anodowego i są z nim trwale połączone.
Operacyjne warstwy anodowe 5 przed połączeniem z centralnym kolektorem prądu anodowego 1 zostały w procesie laminacji zespolone z warstwami elektrolitu stałego 7. Po procesie obróbki termicznej centralnego kolektora prądu anodowego oraz laminatu zawierającego operacyjną warstwę anodową 5 i elektrolit 7 nałożono po obu stronach warstwy katodowe 8, na które z kolei nałożono katodowe warstwy przewodzące 10 stanowiące elektrody zbierające prąd po stronie katody. Płaskie ogniwo dwustronne DFC stanowi kompletny autonomiczny konwerter energii i Jest wyposażone we własne wejście i wyjście, odpowiednio, dla wprowadzania paliwa 6A i odprowadzania produktów spalania 6B, ponadto jest wyposażone w elektryczne pola kontaktowe 9A, 9K umożliwiające dołączenie odbiornika energii elektrycznej. Pierwsze pole kontaktowe 9A posiada elektryczne połączenie, poprzez centralny kolektor prądu anodowego 1, z operacyjnymi warstwami anodowymi 5. Drugie pole kontaktowe 9K posiada elektryczne połączenie, poprzez warstwę przewodzącą 10, z warstwą katodową 8. Katodowa warstwa przewodząca 10 stanowi kolektor prądu dla katody 8. Jej zadaniem jest głównie zminimalizowanie rezystancji elektrycznej pomiędzy katodą 8 i polem kontaktowym katody 9K przy jednoczesnym umożliwieniu swobodnego przepływu utleniacza poprzez warstwę. Katodowa warstwa przewodząca 10 korzystnie może być wykonana z przepuszczalnego dla gazów porowatego srebra lub posiadać strukturę oczkową.
W normalnych warunkach eksploatacji płaskie ogniwo dwustronne DFC jest w całości zanurzone w atmosferze utleniacza. Ten fakt sprawia, że konieczne jest szczelne zabezpieczenie przed bezpośrednim dopływem utleniacza do kolektora prądu 1, ponieważ prowadzi to do jego degradacji. W tym celu niemal cała zewnętrzna powierzchnia kolektora prądu 1 pokryta jest warstwą elektrolitu
PL 220 309 B1 stałego 7, natomiast pozostałe obszary zewnętrznej powierzchni, z wyjątkiem obszaru pod polem kontaktowym anody 9A, pokryto ceramiczną kompozycją uszczelniającą 16.
Fig. 2 wyjaśnia sposób łączenia ogniw w stos. W celu zapewnienia dostępu powietrza do katod ogniw poszczególne ogniwa dwustronne DFC są od siebie odseparowane za pośrednictwem separatorów elastycznych 11. Zadaniem separatorów elastycznych 11 jest także doprowadzenie paliwa do kolejnych sąsiednich ogniw dwustronnych DFC. Separatory elastyczne 11 pełnią również funkcje elementów kompensujących nieuchronny brak równoległości pomiędzy płaszczyznami sąsiednich ogniw dwustronnych DFC. Separatory elastyczne wspomagane są za pośrednictwem podkładek uszczelniających 18, zadaniem których jest zapewnienie szczelności połączeń. Ogniwa dwustronne DFC, w każdym stosie połączono elektrycznie szeregowo za pośrednictwem taśmy metalowej 20. Wszystkie separatory elastyczne 11 i podkładki uszczelniające 18, umieszczone wzdłuż jednej osi są ściskane za pośrednictwem prętów ściągających 17.
Specyficzna konstrukcja ogniwa dwustronnego stawia szczególne wymagania materiałowe odnośnie przewodności elektrycznej dla kolektorów prądowych, ponieważ kontakty elektryczne pojedynczego ogniwa umiejscowione są w przeciwległych narożach ceramicznej struktury. Skutkuje to wydłużeniem ścieżek prądowych zarówno po stronie anody, jak również po stronie katody. Po stronie anody, funkcję elektrody zbierającej prąd pełni centralny kolektor prądu anodowego 1, a jego przewodność elektryczna ma istotne znaczenie dla efektywności ogniwa. W celu poprawy przewodności elektrycznej w strukturę ceramiczną kolektora prądu anodowego wbudowano metalowe struktury przewodzące 2. Po stronie katody poprawę przewodności uzyskano poprzez zastosowanie katodowych warstw przewodzących 10 na bazie srebra.
Konstrukcja baterii ogniw według wynalazku, w której główne robocze powierzchnie sąsiednich ogniw są od siebie odseparowane i posiadają na przeważającej części powierzchni fizyczny kontakt Jedynie z opływającym je strumieniem utleniacza, umożliwia szybkie i bezpieczne rozgrzewanie baterii przy zastosowaniu cyrkulacji gazów opływających baterię. Dzięki temu zminimalizowane zostały naprężenia mechaniczne powstające na skutek nierównomiernego ogrzewania ogniw, ponieważ sąsiednie ogniwa kontaktują się ze sobą tylko za pośrednictwem metalowych separatorów, które wykazują w pewnym zakresie elastyczność. Dodatkowo, zastosowanie urządzenia wymuszającego cyrkulację utleniacza 15A lub 15B wewnątrz izolowanej termicznie komory 12 umożliwia poprawę skuteczności wymiany ciepła pomiędzy ogrzewaczami a baterią ogniw. Urządzenie to jest szczególnie pomocne zwłaszcza w fazie rozgrzewania baterii, kiedy konieczne jest zapewnienie zbliżonej temperatury poszczególnych ogniw dwustronnych przy dużych szybkościach narastania temperatury. W urządzeniu według wynalazku możliwe jest zastosowanie jednego z dwóch wykonań cyrkulatora gazów w izolowanej termicznie komorze 12. Pierwsze wykonanie cyrkulatora zrealizowano w oparciu o wirnik odśrodkowy 15A. Fig. 3A, Fig. 4. W wykonaniu drugim, Fig. 3B wykorzystano efekt Coandy, w którym cyrkulację gazów wewnątrz izolowanej termicznie komory 12 wymusza liniowy dystrybutor strumienia świeżego utleniacza 15B.
Te okoliczności sprawiają, że możliwe jest wielokrotne skrócenie procesu aktywacji baterii w stosunku do czasu rozruchu typowych baterii, w których z uwagi na zblokowaną strukturę szybkie rozgrzewanie skutkuje powstawaniem nieuchronnych naprężeń.
W procesie rozruchu baterii dodatkowe ciepło niezbędne dostarczane jest za pośrednictwem cylindrycznych nagrzewnic 13 usytuowanych równolegle do stosu ogniw. Wirujący wewnątrz izolowanej termicznie komory 12 cyrkulujący strumień gazów przekazuje ciepło do baterii. Po ogrzaniu do temperatury ok. 700°C pracująca bateria ogniw wydziela dostateczną ilość ciepła niezbędną do utrzymania optymalnych bezpiecznych warunków pracy. W czasie normalnej eksploatacji utrzymywana jest stała wartość temperatury 800°C, a nadwyżka ciepła, po wcześniejszym wyłączeniu nagrzewnic 13, odprowadzana jest za pośrednictwem usytuowanych wewnątrz izolowanej termicznie komory 12 absorberów ciepła 14, które następnie może być wykorzystane przez inne urządzenia, np. ogrzewacze wody. Cyrkulujący strumień gazów opływających absorbery ciepła 14 umożliwia skuteczne przekazanie ciepła i utrzymanie równomiernej temperatury poszczególnych ogniw baterii.
Nagrzewnice 13 baterii ogniw usytuowane są równolegle do stosu ogniw oraz są usytuowane prostopadle do strumienia gazów cyrkulujących wewnątrz izolowanej termicznie komory 12. Zastosowane nagrzewnice 13 mają postać wydłużonych metalowych cylindrów, przez które przepuszcza się strumienie rozgrzanych spalin gazowych. W alternatywnej wersji możliwe jest zastosowanie nagrzewnic elektrycznych. Absorbery ciepła 14 usytuowane są równolegle do stosu ogniw oraz są usytuowane prostopadle do strumienia gazów cyrkulujących wewnątrz komory. Absorbery ciepła 14 mają korzystPL 220 309 B1 nie kształt odwróconych „U” rurek, przez które przeprowadza się medium chłodzące i za jego pośrednictwem przekazuje się ciepło do wymienników ciepła połączonych z odbiornikami ciepła.
Proces uruchamiania baterii rozpoczyna się od wprowadzenia poprzez dystrybutor 21, przewody paliwowe 22 oraz przyłącza 19 wodoru do stosów ogniw dwustronnych DFC. Następnie wodór poprzez kanały rozprowadzające 3 i kanały funkcjonalne 4 poszczególnych ogniw doprowadzany jest do kolektora 23, skąd następnie za pośrednictwem przewodu wydechowego 24 jest wyprowadzany. Podczas początkowej niskotemperaturowej fazy rozgrzewania z uwagi na brak katalitycznego procesu spalania, uwalniany wodór spalany jest płomieniowo, natomiast w warunkach normalnej eksploatacji baterii płomieniowo spalane są resztki wodoru znajdujące się w gazach wylotowych. Stosy ogniw rozgrzewa się za pośrednictwem trzech metalowych cylindrycznych nagrzewnic 13, przez których wewnętrzne otwory przepuszcza się gorące spaliny trzech niezależnych palników gazowych. Jednocześnie podczas procesu rozgrzewania za pośrednictwem urządzenia wymuszającego cyrkulację powietrza 15A lub 15B utrzymuje się zbliżoną wartość temperatury dla wszystkich ogniw dwustronnych DFC. Po rozgrzaniu stosów ogniw do ok. 700°C wyłącza się palniki gazowe i jednocześnie uruchamia się absorbery ciepła 14 wymuszając przez nie przepływ medium chłodzącego. Intensywność przepływu medium chłodzącego jest kontrolowana w taki sposób, aby utrzymać wewnątrz izolowanej termicznie komory 12 niezmienną wartość temperatury 800°C. Aczkolwiek bateria ogniw umożliwia uzyskanie wyższej wydajności prądowej przy wyższych temperaturach pracy (np. 900°C) kompromisowa wartość 800°C została ustalona dla zachowania marginesu bezpieczeństwa przed przetopieniem elementów wykonanych na bazie srebra, takich jak: taśma 20, porowata katodowa warstwa przewodząca 10 oraz pola kontaktowe anody 9A i katody 9B.
Podstawowym elementem baterii jest ogniwo dwustronne, którego proces wytwarzania przedstawiono poniżej.
Przykład wykonania I
1. Wykonanie centralnego kolektora prądu anodowego,
a. Laminacja 6 warstw folii anodowej (ESL42421), T = 80°C, P = 500 Atm.
b. Wykonanie kanałów operacyjnych,
2. Laminacja operacyjnych warstw anodowych (ESL 42421) i elektrolitu ZrO2, (42400),
3. Złożenie laminatów,
4. Suszenie, 370°C,
5. Obróbka termiczna złożonych laminatów, 1550°C,
6. Nadruk warstw katodowych, LSCF, (ESL4421),
7. Obróbka termiczna warstw katodowych, 1100°C,
8. Nadruk warstw kontaktowych i przewodzących,
9. Nałożenie kompozycji uszczelniającej krawędzie, (ESL4916)
10. Obróbka termiczna warstw kontaktowych i kompozycji uszczelniającej 900°C,
11.Wykonanie otworów wejściowych,
12. Redukcja centralnej struktury anodowej w atmosferze wodoru; 800°C.
Przykład wykonania II
1. Wykonanie centralnego kolektora prądu anodowego
- Laminacja 4 warstw folii anodowej i trzech warstw siatki niklowej (ESL42421), T = 80°C, P = 500 Atm.
- Suszenie, i obróbka termiczna; 370°C, 1600°C,
- Laminacja po obu stronach warstw folii anodowej (ESL42421),
- Suszenie, i obróbka termiczna: 370°C, 1300°C,
- Wykonanie kanałów operacyjnych,
2. Laminacja operacyjnych warstw anodowych (ESL 42421) i elektrolitu ZrO2, (42400),
3. Złożenie laminatów,
4. Suszenie, 370°C,
5. Obróbka termiczna złożonych laminatów, 1600°C,
6. Nadruk warstw katodowych, LSCF, (ESL4421),
7. Obróbka termiczna warstw katodowych, 1100°C,
8. Nadruk warstw kontaktowych i przewodzących,
9. Nałożenie kompozycji uszczelniającej krawędzie (ESL4916),
10. Obróbka termiczna warstw kontaktowych i kompozycji uszczelniającej 900°C,
11. Wykonanie otworów wejściowych,
12. Redukcja centralnej struktury anodowej w atmosferze wodoru; 800°C.

Claims (10)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Bateria ogniw paliwowych zawierająca, co najmniej jeden stos połączonych ze sobą płaskich ogniw dwustronnych ogniw paliwowych umieszczonych wewnątrz termicznie izolowanej komory (12), gdzie każde ogniwo dwustronne (DFC) wykonane jest w postaci ceramicznej płytki, która ma własne przyłącza dla dostawy i odprowadzania płynów oraz odprowadzania energii elektrycznej i gdzie warstwy katodowe (8) są nałożone na zewnętrznej powierzchni płytki ceramicznej, które następnie są pokryte katodowymi warstwami przewodzącymi (10), znamienna tym, że każde ogniwo dwustronne (DFC) ma centralny kolektor prądu anodowego (1), który po obu stronach ma wykonane kanały rozprowadzające (3) paliwo oraz kanały operacyjne (4), które są trwale połączone z laminatem składającym się z operacyjnej warstwy anodowej (5) oraz warstwy elektrolitu stałego (7), przy czym centralny kolektor prądu anodowego (1) jest zbudowany z tego samego materiału cermetowego co operacyjna warstwa anodowa (5), ponadto ogniwa dwustronne (DFC) są połączone ze sobą za pośrednictwem elastycznych separatorów (11) i ściągnięte razem za pomocą prętów ściągających (17), oprócz tego, wewnątrz izolowanej termicznie komory (12) umiejscowiono urządzenia służące do kontroli temperatury, takie jak nagrzewnice (13), absorbery ciepła (14) oraz urządzenie wymuszające cyrkulację powietrza (15A) lub (15B).
  2. 2. Bateria ogniw według zastrz. 1, znamienna tym, że centralny kolektor prądu anodowego (1), zawiera wbudowane metalowe struktury przewodzące (2).
  3. 3. Bateria ogniw według zastrz. 1, 2, znamienna tym, że wbudowane w centralny kolektor prądu anodowego (1), metalowe struktury przewodzące (2) zrealizowane zostały na bazie niklu.
  4. 4. Bateria ogniw według zastrz. 1 znamienna tym, że docisk ogniw dwustronnych (DFC) do elastycznych separatorów (11) zapewniają pręty ściągające (17), których zewnętrzne powierzchnie, korzystnie są pokryte izolatorem ceramicznym.
  5. 5. Bateria ogniw według zastrz. 1, znamienna tym, że dociskowe połączenie ogniw dwustronnych (DFC) do elastycznych separatorów (11) uszczelniono za pośrednictwem podkładek uszczelniających (18), korzystnie wykonanych z miki.
  6. 6. Bateria ogniw według zastrz. 1, znamienna tym, że nagrzewnice (13) usytuowane są równolegle do stosu ogniw dwustronnych oraz są usytuowane prostopadle do kierunku strumienia gazów cyrkulujących wewnątrz izolowanej termicznie komory (12).
  7. 7. Bateria ogniw według zastrz. 1, znamienna tym, że absorbery ciepła (14) usytuowane są równolegle do stosu ogniw dwustronnych oraz są usytuowane prostopadle do kierunku strumienia gazów cyrkulujących wewnątrz izolowanej termicznie komory (12).
  8. 8. Bateria ogniw według zastrz. 1, znamienna tym, że urządzenie wymuszające cyrkulację powietrza (15A) lub (15B) wewnątrz izolowanej termicznie komory (12) stanowi wirnik odśrodkowy (15A).
  9. 9. Bateria ogniw według zastrz. 1, znamienna tym, że urządzenie wymuszające cyrkulację gazów (15A) lub (15B) wewnątrz izolowanej termicznie komory (12) stanowi liniowy dystrybutor strumieni utleniacza (15B), w którym czynnikiem wymuszającym cyrkulację są rozprowadzone za pośrednictwem dystrybutora oraz ukształtowane za pośrednictwem dysz strumienie świeżego utleniacza.
  10. 10. Bateria ogniw według zastrz. 1, znamienna tym, że ogniwa dwustronne (DFC) połączono elektrycznie za pomocą taśmy metalowej (20).
PL401300A 2012-10-20 2012-10-20 Bateria ogniw paliwowych PL220309B1 (pl)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL401300A PL220309B1 (pl) 2012-10-20 2012-10-20 Bateria ogniw paliwowych
PL13460069T PL2722915T3 (pl) 2012-10-20 2013-10-10 Bateria ogniw paliwowych
EP13460069.1A EP2722915B1 (en) 2012-10-20 2013-10-10 Battery of fuel cells
US14/057,001 US8778550B2 (en) 2012-10-20 2013-10-18 Battery of fuel cells

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL401300A PL220309B1 (pl) 2012-10-20 2012-10-20 Bateria ogniw paliwowych

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL401300A1 PL401300A1 (pl) 2014-04-28
PL220309B1 true PL220309B1 (pl) 2015-10-30

Family

ID=49517472

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL401300A PL220309B1 (pl) 2012-10-20 2012-10-20 Bateria ogniw paliwowych
PL13460069T PL2722915T3 (pl) 2012-10-20 2013-10-10 Bateria ogniw paliwowych

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL13460069T PL2722915T3 (pl) 2012-10-20 2013-10-10 Bateria ogniw paliwowych

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8778550B2 (pl)
EP (1) EP2722915B1 (pl)
PL (2) PL220309B1 (pl)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USD844562S1 (en) * 2016-10-05 2019-04-02 General Electric Company Fuel cell
GB2594260B (en) * 2020-04-20 2022-05-25 Intelligent Energy Ltd Coolant flow control for fuel cell systems
CN114361505B (zh) * 2022-03-17 2022-06-07 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4276355A (en) 1980-04-28 1981-06-30 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell system configurations
US5008163A (en) 1989-05-26 1991-04-16 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Conductive ceramic composition and method of preparation
DK167163B1 (da) 1991-02-13 1993-09-06 Risoe Forskningscenter Fastoxidbraendselscelle til oxidation af ch4
US5741605A (en) * 1996-03-08 1998-04-21 Westinghouse Electric Corporation Solid oxide fuel cell generator with removable modular fuel cell stack configurations
JPH10308227A (ja) 1997-05-07 1998-11-17 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
US6051329A (en) 1998-01-15 2000-04-18 International Business Machines Corporation Solid oxide fuel cell having a catalytic anode
CA2478660C (en) 2002-08-09 2014-03-18 Jfe Steel Corporation Metallic material for fuel cells, fuel cell using the same and method for producing the material
DE102005045053A1 (de) * 2005-09-21 2007-03-29 Elringklinger Ag Verfahren zum Herstellen einer Dichtungsanordnung für einen Brennstoffzellenstapel und Dichtungsanordnung für einen Brennstoffzellenstapel
US7659022B2 (en) * 2006-08-14 2010-02-09 Modine Manufacturing Company Integrated solid oxide fuel cell and fuel processor
TWI311830B (en) 2006-06-28 2009-07-01 Nan Ya Printed Circuit Board Corporatio Fuel cell module utilizing wave-shaped flow board
DE102007024226A1 (de) 2007-05-11 2008-11-13 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennstoffzellenmodul
JP5334559B2 (ja) * 2008-12-19 2013-11-06 本田技研工業株式会社 燃料電池
PL213349B1 (pl) * 2009-07-17 2013-02-28 Akad Gorniczo Hutnicza Sposób wykonania elektrochemicznego konwertera energii i elektrochemiczny konwerter energii
PL218785B1 (pl) 2012-01-09 2015-01-30 Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie Bateria ogniw paliwowych

Also Published As

Publication number Publication date
EP2722915B1 (en) 2015-08-12
US20140113209A1 (en) 2014-04-24
PL401300A1 (pl) 2014-04-28
EP2722915A1 (en) 2014-04-23
US8778550B2 (en) 2014-07-15
PL2722915T3 (pl) 2015-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6517835B2 (ja) 燃料電池スタック構成
JP2016516129A (ja) 加熱器が一体化されたｓｏｅｃスタック
JP5109253B2 (ja) 燃料電池
JP6139231B2 (ja) 固体酸化物形電気化学セルスタック構造体および水素電力貯蔵システム
CN105765776B (zh) 单元堆装置、模块以及模块收容装置
EP3282513B1 (en) Multi-stack fuel cell systems and heat exchanger assemblies
JP5122319B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池
JP5270385B2 (ja) 固体電解質形燃料電池
EP2722915B1 (en) Battery of fuel cells
US20090169969A1 (en) Bipolar plate of solid oxide fuel cell
JP5341624B2 (ja) 燃料電池システム
JP2004139960A (ja) 燃料電池
RU2417488C1 (ru) Планарный элемент электрохимических устройств, батарея и способ изготовления
JP2015510665A (ja) 電気エネルギ蓄積器用スタック
JP5315400B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池スタック
JP2010272506A (ja) 燃料電池スタック及びそれを備えた燃料電池システム
KR102119912B1 (ko) 응축수 제거용 발열부 가지는 연료전지 및 그 제조 방법
JP2010113959A (ja) 燃料電池スタック
KR100999196B1 (ko) 열전소자를 이용한 연료전지용 냉각모듈과 분리판 및 이를 포함하는 연료전지와 그 온도제어 방법
JP5197022B2 (ja) 燃料電池
PL218785B1 (pl) Bateria ogniw paliwowych
Staszica et al. 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111 II uii IIi
KR20130075902A (ko) 외부 매니폴드를 채용한 금속지지체형 고체산화물 연료전지 스택
JP2011054284A (ja) 燃料電池発電システム
JPS61135062A (ja) 燃料電池発電装置