SE437446B - Stodstomme for spaltformiga elektrolytrum i elektrokemiska celler, speciellt brensleceller - Google Patents

Description

l5 Lao 40 v77 1 3367 - 6 2 nar även som distanshâllare för elektroderna. Förutom cirkulationen 'av elektrolyten genom cellen möjliggör stöttningsorganet emellertid även en jonström från elektrod till elektrod, och det är alltså ge- r nomsläppande i två dimensioner. För att kunna uppfylla dessa funk- V tioner är stöttningsorganet poröst, men det kan även bestå av god- tyckligt material, exempelvis keramik, glas eller plast. I allmänhet användes emellertid metallnät, varvid stöttningsorganet i sitt mittre område även kan vara grovporigt och i de till elektroderna angrän- sande områdena finporigt. _ Vid kontinuerliga försök på bränsleelement har det nu visat sig, att en fullständig gastäthet icke kan uppnås. Genom små läckor vi täckskikten kommer nämligen reaktionsgaser, såsom vätgas eller syre, från gasrummen in i elektrolytrummet. En gasöverströmning till elek- trolytrummet kan emellertid-även ske redan genom diffusion på grund av tryckskillnaden mellan gas- och elektrolytrummet. De till elektro- lytrummet överströmmande gaserna kan nu emellertid, såsom skall visas i det följande, redan vid liten gasläckning leda till driftstörningar.

Sålunda kan, särskilt vid högre strömtätheter, redan gasförluster av 1 ml/min per cell visa sig vara problematiska, ehuru dessa mängder, hänförda till omsättningen, utgör mindre än 0,1 %.

De till elektrolytrummet överströmmande gaserna samlar sig där i_form av blåsor, vilka åtminstone delvis genom kapillärkrafter fast- hållas i maskorna hos de som stöttningsorgan tjänande näten och vilka icke heller endast delvis kan avlägsnas genom elektrolytströmningen..

Dessa gasblåsor leder till ökning av cellens inre motstånd och därmed till sänkning av cellspänningen. Dessutom hindrar de i elektrolytrum- - met sig ansamlande gasblåsorna strömflödet och medför, särskilt vid olikformig fördelning och framför allt vid höga strömtätheter, dvs. vid strömtätheter från cirka 300 mA/cm2, en olikformig strömtäthets- fördelning och - i samband därmed - en lokal överhettning § elektro- lyten och vid elektroderna, vilken åstadkommer förångníng av vatten och därmed bildande av ytterligare (äng-) blåsor. Gasblåsorna föror- sakar vidare en olikformig genomströmning av elektrolyten genom cel- len, varigenom lokalt mindre kylning och därmed ytterligare upphett- ning förorsakas. Även vid vattenavskiljningsceller kan problem.uppstå till följd av ansamlingen av gasblåsor i elektrolytrummen. Vattenavskilj- ningscellerna, som exempelvis tjänar till avlägsnande av reaktions- vattnet från elektrolyten hos bränsleelement, har ett av elektrolyt- vätskan genomströmmat elektrolytrum och åtminstone ett från detta N .Pgšfl 7713367 - 6 '3 genom ett díafragma avskilt gasrum, till vilket vatten från elektro- lytrummet förångas genom diafragmatt Elektrolytrummet - och i allmän- het även gasrummet - stöttas därvid av åtminstone ett nät (jfr. exem- pelvis amerikanska patentskriften 3.783.107). Om nu gasblâsor samlas i maskorna hos det i elektrolytrummet befintliga nätet, så ankommer ' till dessa ställen icke längre någon färsk, varm elektrolytvätska och förângningshastigheten av vatten avtager. Ändamålet med uppfinningen är att undvika de vid driften av elektrokemiska celler och vattenavskiljningsceller till följd av an- samling av gasblåsor i elektrolytrummen uppträdande störningarna.

Detta uppnås enligt uppfinningen genom ett stöttningsorgan, som karakteriseras av att strömningskanalerna för elektrolytvätskan i strömningsriktningen är väsentligen fria från föpträngningsställen.

Genom undvikandet av förträngningsställen förhindras, att i stöttningsorganet inuti strömningskanalerna relativt höga kapillär- tryckdifferenser uppträder, som förhindrar bortförande av gasblåsor.

Stöttningsorganet enligt uppfinningen utövar inga nämnvärda kapillär- krafter på gasblåsor. Det har exempelvis visat sig, att vid använd- ning av de hittills vanliga näten som stöttningsorgan kapillärtryck- differenser upp till H.000 dyn/omz kan uppträda, vilket motsvarar NO mm vattenpelare. Vid en hlåslängd av 1 mm måste då tryckgradienten i ielektrolyten uppgå till 40 mm vattenpelare/mm och totala tryckfallet i elektrolyten till cirka 0,7 bar, vilket tekniskt icke är realiser- bart. Vid stöttningsorganet enligt uppfinningen uppkommer icke denna svårighet. Dessutom kommer vid detta stöttníngsorgan - till följd av de i_hög grad likformiga strömningskanalerna - kringströmningen av blåsor att förhindras, och därmed kan hela tryckfallet bli verksamt som uppdämningstryck. V Med fördel kan stöttningsorganet enligt uppfinningen innefatta två tunna porösa randområden, mellan vilka i elektrolytvätskans ström- ningsriktning på avstånd från varandra och inbördes parallellt för- löpande distansorgan är anordnade. Härtill kan exempelvis tjäna rela- tivt tjocka, parallellt med strömningsriktningen liggande trådar, som för stöttande av täckskikten på båda sidor är förbundna med tvärs _ strömningen liggande, relativt tunna trådar. En sådan anordning har förhållandevis ringa totaltjocklek, varigenom ett lågt inre motstånd erhålles. Vid en tjocklek hos stöttningsorganet av exempelvis cirka 0,56 mm erhålles vid en tolerans av -10% (och en motsvarande avvikel- se i kanal-geometrien) en kapillärtryckdifferens av blott 3 mm vatten- “O pelare. Detta betyder, att blåsor av cirka 3 mm längd redan på grund FÛÛR ensamt 21":- HO 7713361-6 H av uppdriften i elektrolytvätskan stiger uppåt och därmed avlägsnas ur elektrolytrummet. I Ett sådant - blott av trådar bestående - stöttningsorgan är emellertid tillverkningsteknískt behäftat med svårigheter, som upp- står på grund av nödvändigheten att förbinda en mångfald trådar vin- kelrätt relativt varandra. Därför är vid en särskilt föredragen ut- föringsform av stöttningsorganet enligt uppfinningen mellan två tun- na nät, i elektrolytvätskans strömningsriktning, parallellt med va- randra förlöpande trådar anordnade på avstånd från varandra. Vid en sådan uppbyggnad av stöttningsorganet förenklas tillverkningen i hög grad, eftersom.trådarna blott behöver förbindas med en väv, dvs. ett nät. Dessutom är det vid denna utföringsform tillräckligt, om trådar- I na, vilka i allmänhet har en diameter mellan cirka 0,4 och 0,6 mm, blott fästas vid det ena av näten, exempelvis genom klistring eller svetsning, och det andra nätet då blott lägges på trådarna. Total- tjockleken av en_sådan anordning - nättjockleken är i allmänhet mel- lan 0,1 och 0,3 mm - blir i jämförelse med den blott av trådar upp- .byggda utföringsformen blott ovâsentligt större, så att även härvid gasblåsorna på enkelt sätt avlägsnas ur stöttningsorganet.

V Vid en ytterligare fördelaktig utföringsform är stöttnings- organet enligt uppfinningen uppbyggt av tre tunna~ vävar på well- pappartat sätt. För detta ändamål innefattar detsamma två tunna porösa randområden, särskilt tunna nät, mellan vilka ett nät med vågig, vec- kad eller böjd form är så anordnat, att strömningskanalerna för elek- trolytvätskan erhållas. Vågorna resp. veckningarna bildar därvid rela- 7 tivt stora strömningskanaler; Allt efter formgivningen av det mittre nätet kan vid denna utföringsform av stöttningsorganet en mer eller mindre elastisk anordning erhållas. I _ I En ytterligare möjlighet för utformning av stöttningsorganet 'enligt uppfinningen består slutligen även i att helt avstå från de tunna yttre randområdena. För att i detta fall likväl åstadkomma stött- ningen av täckskikten resp. díafragmorna användes som stöttningsorgan _tunna porösa vävar, särskilt nät, som lindas resp. veckas meanderfor- migt. Näten skall därvid maximalt ha en tjocklek av omkring 0,1 mm och en möåligast liten maskvidd för att i möjligaste mån förhindra en tvärströmning mellan de enskilda, genom veckningarna bildade ström- ningskanalerna. 7 Stöttningsorganet enligt uppfinningen består företrädesvis av metall, särskilt nickel, och/eller plast. Stöttningsorgan av metall, som även kan bestå exempelvis av rostfritt stål eller förnicklat järn, flr- då i .Pwommn HO 7713367-6 kommer särskilt till användning vid alkalíska elektrolytvätskor.

Stöttningsorgan av plast, såsom polyeten och polypropylen, kan med fördel användas vid sura elektrolyter. " Vid användning av stöttningsorganet enligt uppfinningen kan exempelvis permanentdrift av bränsleelement avsevärt förbättras. Så- lunda kunde - även vid stark gasbildning - under en driftstid av mer än 2.000 timmar (vid 6 n KOH som elektrolytvätska och en elektrolyt- temperatur av 80°C) en dagligen mellan 300 och H40 mA/cmz alterneran- de belastning bibehållas. _ I det följande skall uppfinningennärmare förklaras i anslutning till utföringsexempel och två ritningsfigurer.

Pig. 1 visar en särskilt-föredragen utföringsform av stöttnings- organet enligt uppfinningen. ' I Pig. 2 visar ett stöttningsorganet enligt uppfinningen innehål- lande bränsleelement.

I fig. 1 visas ett delsnitt genom en särskilt föredragen ut- föringsform av stöttningsorganet enligt uppfinningen. Stöttningsorganet består av tunna nickelnät 11 och 12 och ett stort antal nickeltrâdar 13, som är anordnade mellan näten 11 och 12 parallellt med varandra och på inbördes avstånd. Trådarna 13 förlöper i elektrolytvätskans ström- ningsriktning och bildar strömningskanaler 1ß för elektrolytvätskan.

Strömningskanalerna 1H är - såsom framgår av fig. 1 -_i huvudsak fria från förträngningsställen. Diametern av nickeltrådarna 13 är cirka 0,5 mm. Nickelnäten 11 och 12, som har en maskvidd av cirka 0,2 mm, har en tjocklek av cirka 0,1 mm (trådtjocklek: 0,05 mm). Totaltjockleken av stöttningsorganet 10 är sålunda omkring 0,7 mm. Stöttningsorganet har _ ungefär dimensionerna 20 cm x 20 cm och innehåller cirka 100 trådar.

Det ömsesidiga avståndet mellan dessa trådar är sålunda omkring 1,5 mm. _ Trådarna 13 är åtminstone förbundna med det ena av näten 11 och 12, vilket kan ske genom klistring eller svetsning. Särskilt för- delaktigt är emellertid att redan vid framställningen av näten inarbeta trådarna 13 i ett av näten 11 eller 12. Därvid invävas de relativt tjocka trådarna 13 - på motsvarande avstånd - in nätet i stället för en av de tunna nättrâdarna.

Pig. 2 visar ett delsnitt genom ett stöttningsorganet enligt_ uppfinningen innehållande bränsleelement 20. Stöttningsorganet 21 innefattar tvâ nät 22 och 23, mellan vilka - i elektrolytvätskans strömningsriktníng - trådar 24 är.anordnade. Genom näten 22 och 23 'stöttas täckskikten 25 och 26, vilka i synnerhet kan bestå av asbest- papper. Vid täckskikten 25 och 26, som är inklistradè i plastramar 27 lO '7713367-6 6 s resp. 28, är pulverelektroder 29 resp. 30 anordnade. Pulverelektrod- erna 29 och 30 är för stöttning och kontaktering försedda med tunna metallnät 31 resp. 32. Efter näten 31 och 32 följer grovmaskiga nät 33 och 34 för utformning av gasrummen. Bränsleelementet 20 avslutas av metallplåtar 35 och 36. Genom.ledníngar_37 och 38 tillföras gas- rummen de gasformiga drift-materialen, såsom väte och syre. Genom kanalen 39 avlägsnas elektrolytvätskan från det stöttningsorganet 21 a innehållande elektrolytrummet H0. Samtidigt lämnar även gasblâsorna elektrolytrummet 40 via kanalen 39.

Förutom i bränsleelement kan stöttningsorganet enligt uppfin- iningen, vilket - i elektrolytvätskans strömningsniktning --i huvud- sak icke uppvisarnågra förträngningsställen resp. avsmalnande stäl- len, även användas i andra elektrokemiska celler, exempelvis i metall/ /luftceller.

Claims (2)

7 ?71336?”6 Patentkrav

1. Stödstomme för spaltformiga elekttolytrum i elektro- kemiska celler, speciellt bränsleceller, varvid clektrolyt- rummet är avsett att genomströmmas i sin längdriktning av i ett antal strömningskanaler (13) uppdelad elektrolytvütska, och varvid skiktformiga, av pulverformígt material bestående ¿1ek- lroder (29,30) på sin enn sida stöds av stödgtpmmen (21) och på sin motsatta sida av nät eller filter (3],3g3, liksom även för elektrolytrum i vattenavskiljníngseeller, K ä n n e t e c k- n n d därav, att Stödstommen uppvísaï två tunna, porösa och nära elektroderna anordnade parallellë Sifiot (ZZ,23), bildade av nät eller tvärs strömningsriktnüwen placerade trådar, mellan vilka är anordnade i elektrolytvätskans strömnínggfiktning för- löpande, på inbördes avstånd och parallellt med vafafldra belägna distanselement (24). -

2. Stödstomme enligt kravet 1, k_ä n n e t e e k n a d därav, att mellan två tunna nät är anotdngde i elektgolytvätskans strömningsríktníng parallellt med varandra förlöpande grådar (24). a ' ' s. sröaswmme enligt kravet 1 'eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att stommen består av metall, ääïßkilt nickel, och/eller plast.