SE446140B - Brenslecellstapel - Google Patents

Description

7808431-6 ling av ett flertal celler och koppling av desamma i serie elekt- riskt. Elektriskt ledande gasogeiomsläppliga plattor skiljer anoden i en cell från katoden i intilliggande cell. Dessa separatorplat- tor innefattar ribbor (eller andra utsprång) på respektive sida därav, vilka anligger mot elektrodsubstraten. Ribborna bildar spår för strömmen från en cell till nästa till bildande av reagensgas- utrymmen (såsom kanaler)bakom respektive substrat; På detta sätt fördelas gas över baksidan på varje elektrod. Ribborna eller ut- sprången ger också strukturell styrka åt cellstapeln och stöd åt elektroderna, som vanligen göres så tunna som möjligt. En bränsle- cellstapel enligt ovan framgår av US patentskrift 3 994 748.

Ribbförsedda gasseparatorplattor är dyra att framställa och ribborna (eller utsprången) skapar problem såsom felfördelning av reagensgasen till katalysatorskiktet. Direkt vinkelrätt passage av reagensgasen till katalysatorskiktet genom kontaktytorna mel- lan separatorribborna och elektrodsubstratet blockeras. Reagens- gas måste diffundera i plan genom substratet under ribborna för att nå katalysatorn på substratet strax nedanför ribborna. Denna diffusion göres svårare eftersom substratskiktet är något samman- pressat direkt under ribborna och får endast vara några millimeter tjock innan sammanpressning.

Spänningen över en bränslecellstapel är summan av spännings- förstärkningen över respektive cell, vilken förstärkning är en funktion av strömmen som alstras i cellen. Strömmen passerar vinkel- rät mot planet genom elektroderna från ena änden av stapeln till den andra. Strömtätheten genom en cellstapel är lika med strömmen dividerad med den tvärsnittsyta genom vilken strömmen passerar vid vilket som helst givet tvärsnittsplan. Densamma är en konstant vid vilket som helst givet plan för vilken som helst kraftinställning.

Ifall tvärsnittsytan i ett plan reduceras och den totala alstrade elektriska kraften hâlles konstant, måste strömtätheten öka i det planet. Spänningsförluster är direkt proportionella mot ström- tätheten således att vid konstant kraft, spänningen reduceras så snart tvärsnittytan genom vilken strömmen passerar reduceras. En sådan ytreduktion uppstår vid gränsytan mellan elektroderna och ribborna på separatorplattorna, enär kontaktytan mellan plattorna och elektroderna endast får utgöra ca. 50 % av elektrodernas tvärsnittsyta. Eftersom perfekt kontakt ens mellan plana, mot varandra passande ytor är omöjlig att uppnå, föreligger även kontaktförluster vid varje gränsyta mellan intilliggande kompo- 7808431-6 nenter, speciellt om dessa inte är sammankopplade.

Tillfredsställande lösningar på ovannämnda problem har ännu ej påträffats.

Föreliggande uppfinning avser att öka kontaktytan mellan intilliggande elektrokemiska cellkomponenter för reduktion av kontaktförluster.

Vidare avses en bränslecellstapel, vars komponenter kan fram- ställas mera ekonomiskt.

Dessutom avses en förmåga att reducera tjockleken på en elektrokemisk cell och härvid reducera höjden på en bränslecell- stapel. 1 Ytterligare avses att reducera felfördelning av reagensga- sen till katalysatorskikten på en elektrokemisk cell.

Således uppvisar enligt föreliggande uppfinning gasfördel- ningsskikten första och andra motställda ytor, varvid den första ytan hos ett gasfördelningsskikt i en cell är vänd mot den första ytan hos gasfördelningsskiktet i intilliggande cell, är ett konti- nuerligt skikt av gasogenomträngligt material anordnat mellan och i väsentligen kontinuerlig kontakt med båda de första ytorna, står den andra ytan på ett av gasfördelningsskikten i väsentligen kontinuerlig kontakt med katodkatalysatorskiktet i en av bränsle- cellerna medan den andra ytan på det andra gasfördelningsskiktet står i väsentligen kontinuerlig kontakt med anodkatalysatorskiktet i intilliggande cell, är gasfördelningsskikten porösa för gas och är gasfördelningsskiktens tjocklek och porernas storlek valda för att medge ett i huvudsak fritt flöde av reagensgas därigenom så- väl vinkelrät mot som parallellt med planen genom desammans ytor, innefattar respektive gasfördelningsskikt vidare ett tunt finpo- rigt skikt som bildar nämnda andra yta och ett tjockare skikt med större porer bakom det finporiga skiktet, varvid de fina po- rerna är så valda att ingen katalysatormängd tränger in däri vid appliceringen av katalysatorskiktet därpå, och innefattar minst ett av gasfördelningsskikten ett elektrolytreservoarskikt i elektrolytförbindelse med elektrolyten i elektrolytutrymmet mel- lan katalysatorskikten.

Uppfinningen eliminerar gasfördelningsutrymmena mellan sepa- ratorn i form att ett kontinuerligt skikt av gasogenomträngligt material och elektroderna enligt tidigare utformning, exempelvis med hjälp av ribbor i en separatorplatta. Reagensgas införes i cellen exempelvis via kanten på gasfördelningsskiktet i en rikt- _ _.-. ...__._...__..._..__...._.-_..._:-...._ _......_ 7808431-6 ning parallell med skiktets plan. Gasfördelningsskiktet är mycket gasporöst i den riktningen såväl som genom planet genom skiktet, varvid gas medges strömma över katalysatorskiktets hela yta.

Kontinuerlig kontakt (d.v.s. inga ribbor) mellan de porösa de- larna och separatorn höjer väsentügen kontaktytan mellan dessa komponenter och reduceras därmed spänningsförluster samt förbätt- ras strömfördelningen genom stapeln. Den porösa delen kan också tjäna som substrat för katalysatorskiktet.

Det förmodas att tillverkningskostnaderna kan sänkas efter- som separatorn nu kan utformas som en plan, tunn skiva eller som ett skikt av gasogenomträngligt material. Å andra sidan är gas- fördelningsskiktet vanligen tjockare än de tidigare katalysator- substratskikten och uppvisar större porer för att medge gas- strömning i planet med tolererbara tryckfall. I sin tjockare form ger gasfördelningsskiktet det strukturella stöd som tidigare gavs av den ribbförsedda separatorn. Det förväntas att bränsle- cellstapelns totalhöjd reduceras, även om detta ej är ett krav.

Enligt en annan aspekt på uppfinningen kan de porösa delarna fogas till varje sida av gasseparatorskiktet och kan katalysator- skikt appliceras på motsatta sidor av de porösa delarna och där- vid bilda en enhetlig bränslecellstapelkomponent. Ett elektro- lytkvarhållande huvudskikt kan appliceras på ett av katalysator- 'skikten till bildande av ett fullständigt bränselcellblock.

Uttrycket "skikt" är här vittomfattande och kan således ut- göra såväl en tunn eller tjock beläggning, som en självbärande skiva eller platta. Även om "skikt" är ett substantiv i singu- laris, betecknar det här även flera än ett skikt.

Uppfinningen skall nedan närmare beskrivas med hänvisning till bifogad ritning, i vilken fig. l är ett tvärsnitt genom en stapel elektrokemiska celler enligt uppfinningen, och fig. 2 är ett tvärsnitt genom en stapel elektrokemiska celler enligt ett alternativt utförande av uppfinningen.

Figur l visar en bränslecellstapel 10 enligt ett utförande av uppfinningen. Bränslecellstapeln 10 innefattar ett flertal bränsle- celler 12 som är elektriskt seriekopplade genom en belastning 14.

Elektriskt ledande separatorer l6 är anordnade mellan cellerna och förhindrar blandning av reagenserna som strömmar genom cellerna på respektive sida om separatorerna.

Varje cell 12 innefattar ett anodkatalysatorskikt l8 åtskilt '7808431-6 från ett katodkatalysatorskikt 20 med ett elektrolytkvarhållande huvudskikt 22 anordnat däremellan och i huvudsakligen kontinuer- lig kontakt med ytorna på respektive katalysatorskikt. Varje cell 12 uppvisar också en porös del 24 anordnad bakom och utfyllande utrymmet mellan anodkatalysatorskiktet 18 och separatorn 16, och en porös del 26 bakom katodkatalysatorskiktet 20 och separatorn.

De porösa delarna 24, 26 fyller ut utrymmena mellan och står i huvudsakligen kontinuerlig kontakt med ytorna på katalysatorskikten och separatorerna på respektive sida därav.

De porösa delarna 24, 26 innefattar gasfördelningsskikt 28 respektive 30. Varje gasfördelníngsskikt står i huvudsakligen kontinuerlig kontakt med väsentligen hela ytan på tillhörande katalysatorskikt 18, 20. I detta utförande innefattar varje porös del 24 ett elektrolytreservoarskikt 32 för lagring av Överskotts- elektrolyt under celldrift. Reservoarskiktet 32 är ett plant konti- nuerligt skikt av hydrofilt material anordnat mellan separatorn 16 och gasfördelningsskiktet 28 och i kontinuerlig kontakt med dessas ytor. Impregneringar av hydrofilt material bildar jämnt fördelade hydrofila, småporiga regioner 34 genom gasfördelningsskiktet 28 och medger vätskekommunikation mellan katalysatorskiktet 18 och reser- voarskiktet 32 motsvarande figurerna 2 och 3 i US patentskrift 3 905 832.

Reservoarer för lagring av överskottselektrolyt är tidigare kända. US patentskrift 3 634 139 visar en reservoar utvändigt om bränslecellen. En dylik bränslecell behöver inte ett reservoarskikt motsvarande skiktet 32 i figur 1. Andra typer av reservoarskikt beskrives i US patentskrifterna 3 748 179 och 3 905 832. Bränsle- cellerna enligt dessa innefattar reservoarmaterial bakom minst en av elektroderna i bränslecellen; notera dock att åtgärder alltid företas för att åstadkoma ett reagensgasutrymme bakom respektive elektrod. Utförandet enligt figur l är betydligt enklare än ut- förandena enligt ovannämnda publikationer.

Gasfördelningsskikten 28, 30 är mycket gasporösa såväl vinkel- rät mot som parallellt med desammas ytplan. Reagensgas tillföres katalysatorskikten genom införing av gas i gasfördelningsskikten 28, 30 via en kant på gasfördelningsskikten såsom visas med pi- larna 31. Reagensgasen strömmar tvärs genom (horisontellt i figu- ren) och till katalysatorskiktet (vertikalt i figuren) genom po- rerna i gasfördelningsskikten och icke konsumerad reagens strömmar ut från en annan sida av cellen genom en av de andra kanterna på gasfördelningsskikten enligt pilarna 33. I detta hänseende är det 7808451-6 kritiska draget hos gasfördelningsskiktet att det är tillräckligt tjockt och uppvisar tillräcklig mängd porer av tillräcklig stor- lek för att medge ett i huvudsak fritt reagensgasflöde därigenom såväl parallellt med som vinkelrät mot detsammas ytplan. Detta gäller förutom andra välkända krav på bränslecellkomponenter såsom elektrisk ledningsförmåga, kompatibilitet med elektrolyten samt lämplig hållfasthet. Uttrycket "i huvudsak fritt flöde" betyder att tryckfallet genom gasfördelningsskiktet (såväl i plan som genom plan) håller en acceptabel låg nivå. Vad som är acceptabelt varierar beroende på cellmaterial och utförande samt på andra detaljutföranden som ett resultat av för vilket ändamål stapeln är avsedd. Exempelvis ju större tryckfall från gasfördelnings- skiktets inloppskant till utloppskanten, ju mer energi krävs för att pumpa reagensgasen genom cellen. Energi för att pumpa reagen- serna är förlorad energi, varigenom systemets effektivitet reduceras. Större tryckfall tenderar också att alstra större tryckdifferentialer genom huvudskiktet 22, vilket resulterar i antingen passage av reagensgas från huvudskiktets eller matrisens ena sida till den andra eller att elektrolyt tvingas ut ur matri- sen om tryckskillnaden är för stor.

Iuen bränslecellstapel med fosforsyra som elektrolyt enligt uppfinningen, kan gasfördelningsskiktet framställas av exempelvis samma fibrösa kolpapperelektrodsubstratmaterial som anges i US patentskrift 3 972 735 med undantag av att substratet utformas tjockare och med kolbelagda kolfibrer av större diameter än annars normalt i ändamål att öka porstorleken. En del beräkningar har gjorts under antagande att cellen är kvadratisk med 47 cm sida, reagenser vid 3,5 bar, fosforsyraelektrolyt, driftstemperatur på l90OC, syreutnyttjande på 0,7 och väteutnyttjande på 0,9. Reagens- utnyttjandet (H2 eller O2)är dfl1reag¶E@ns massaflödeshastighet vid antingen anoden eller katoden som konsumeras i cellen vid den elektrokemiska reaktionen dividerad med reagensens massaflödes~ hastighet in i cellen. Under dessa betingelser beräknades att ett kolpappersubstrat (motsvarande substratct enligt US patentskrift 3 972 735) med 80 %-ig porositet och 1,3 mm tjockt uppvisar ett acceptabelt kant till kant, i plan tryckfall på 1,3 cm vatten vid en strömtäthet på 0,11 a/cm2 om den kolbelagda kolfiberdiametern var 0,25 mm för syrgasfördelningsskiktet och 0,20 mm för vätgas- fördelningsskiktet. Större tjocklek och fiberdiameter är också acceptabelt.

Det är känt att gasfördelningsskikten kan framställas av vitröst 7808431-6 kolskum med öppna celler.

Separatorerna 16 kan nu utformas som tunna, plana plattor sna- rare än relativt tjocka ribbförsedda plattor. I övrigt kan de se ut som tidigare och bestå av samma material, såsom de grafitsamman- satta plattorna enligt US patentskrifterna 3 801 374 och 3 634 569.

Enligt en aspekt på uppfinningen kan separatorn 16 med varje sida fogas till de porösa delarnas 24, 26 ytor och katalysator- skikten 18, 20 i intilliggande celler kan fogas till de porösa delarnas motsatta sidor till bildande av en enhetlig komponent.

Dessa komponenter kan sammanställas till en bränslecellstapel genom att placera desamma ovanpå varandra och ett elektrolythuvudskikt däremellan. Sammanfogning av katalysatorskikten och de porösa de- larna kan utföras på många olika sätt, exempelvis genom att appli- cera katalysatorskikten på gasfördehnngsskikten medelst screen- tryck, sprutning eller fi1treringsöverföringsteknik. Om så önskas kan huvud- eller matrisskiktet sammanfogas med det ena eller andra av katalysatorskikten. Ifall matrisen framställdes av hartsbunden kiselkarbid, kunde densamma appliceras medelst screentryckteknik enligt US patentskrift 4 001 042. Detta ger enhetliga bränsle- cellkomponenter som kan staplas ovanpå varandra. Sammanfogning av de olika skikten ökar ytkontaktarean dememellan, varvid spännings- förlusterna reduceras och strömfördelningen genom stapeln förbätt- ras. Enligt uppfinningen är det inte nödvändigt att de olika skik- ten fogas samman.

Figur 2 visar ett annat utförande av uppfinningen. Här finns inget separat reservoarskikt för lagring av överskottselektrolyt.

Utförandet är speciellt lämpligt för celler med utvändiga elektro- lytreservoarer. Det kan också användas om gasfördehüngsskiktet upp- visar ett antal slumpvis fördelade porstorlekar, där de mindre porerna fylls med överskottselektrolyt medan de större porerna förblir öppna.

I utförandet enligt figur 2 är en elektrokemisk cell 100 en av flera, som anordnats ovanpå varandra till bildande av en cell- stapel. Varje cell 100 innefattar ett par gasfördelningsskikt 102, ett anodkatalysatorskikt 104, och ett katodkatalysatorskikt 106.

Katalysatorskikten är åtskilda och inkluderar ett elektrolytkvar- hållande huvud- eller matrisskikt 108 däremellan. Cellstapeln inne- fattar gasseparatorer 110 som anordnats mellan intilliggande cel- ler 100. Gasfördelningsskikten på respektive sida om en separator 110 befinner sig i väsentligen kontinuerlig kontakt med separatorns motstående sidor 112, 114.

I detta utförande är varje katalysatorskikt 104, 106 fogat till 7808451-så' ytan på detsammas respektive gasfördelningsskikt 102. Om porerna i gasfördelningsskiktet är för stora, kan vid applicering katalysator- skiktet tränga in i gasfördelningsskiktet i icke önskvärd utsträck- ning, snarare än att stanna kvar på ytan såsom önskvärt är. Detta problem elimineras med hjälp av utförandet enligt figur 2, där varje gasfördelningsskikt 102 innefattar ett relativt tjockt, stor- porigt skikt ll6 intill separatorskiktet och ett tunnare, småpo- rigt skikt ll8 intill katalysatorskiktet. Storporskiktet 116 är tillräckligt tjockt och uppvisar tillräckligt antal tillräckligt stora porer för att medge ett i huvudsak fritt reagensflöde däri- genom, såväl vinkelrät mot som parallellt med planen genom detsammas ytor, och kan bestå av ett material motsvarande gasfördelnings- Skiktet 26 i fig. l. Skiktet ll8 ger en småporig yta 120, på vil- ket katalysatorskikten 104, 106 kan appliceras utan att materialet i desamma tränger ned i gasfördelningsskiktet 102 alltför djupt.

Detta är önskvärt för att maximera den användbara katalysatorarean.

Småporskiktet ll8 kan framställas av samma material som stor- porskiktet ll6, exempelvis av vitröst kolskum med öppna celler.

Alternativt består storporskiktet av vitröst kolskum med öppna celler och småporskiktet framställes på samma sätt som vilket som helst känt substratmaterial för applicering av ett katalysa- torskikt därpå (se US patentskrift 3 972 735). Småporskiktet ll6 kan utformas separat eller genom impregnering till litet djup i den mot katalysatorn vända ytan av storporskiktet 116, varvid den effektiva porstorleken reduceras åtminstone nära ytan därpå. Liksom i figur l kan de olika skikten fogas samman till enhetliga kompo- nenter som kan placeras ovanpå varandra till bildande av bränsle- cellstapeln. Om gasfördelningsskiktet l02 kräver ett katalysator- substratskikt med små porer eller ej intill katalysatorskiktet beror på flera faktorer, såsom l) huruvida katalysatorskiktet skall appli- ceras eller ej pâ ytan till gasfördelningsskiktet och på vilket sätt detta sker; 2) katalysatorskiktets sammansättning samt 3) det storporiga skiktets ll6 porstorlek.

Det är för fackmannen uppenbart att föreliggande uppfinning kan modifieras och ändras inom ramen för efterföljande patentkrav utan att frångå uppfinningens idé och ändamål.

Claims (6)

1. ø 7808431-6 Patentkrav Il II Il II II ll Il ll ll II l. Bränslecellstapel (10), innefattande ett flertal bränsle- celler (12), vilka respektive uppvisar ett anodkatalysatorskikt (18) åtskilt från ett katodkatalysatorskikt (20) och ett elektrolyt- utrymme (22) däremellan avpassat för elektrolyt, varvid respektive bränslecell vidare innefattar två gasfördelningsskikt (28, 30), k ä n n e t e c k n a d a v att gasfördelningsskikten (28, 30) uppvisar första och andra motställda ytor, varvid den första ytan hos ett gasfördelningsskikt i en cell (12) är vänd mot den första ytan hos gasfördelningsskiktet i intilliggande cell (12), att ett kontinuerligt skikt av gasogenomträngligt material (16) är anord- nat mellan och i väsentligen kontinuerlig kontakt med båda de första ytorna, att den andra ytan på ett av gasfördelningsskikten (28, 30) står i väsentligen kontinuerlig kontakt med katodkataly- satorskiktet (20) i en av bränslecellerna (12) medan den andra ytan på det andra gasfördelningsskiktet står i väsentligen konti- nuerlig kontakt med anodkatalysatorskiktet (18) i intilliggande cell (12), att gasfördelningsskikten (28, 30) är porösa för gas och att gasfördelningsskiktens tjocklek och porernas storlek är valda för att medge ett i huvudsak fritt flöde av reagensgas däri- genom såväl vinkelrät mot som parallellt med planen genom desammas ytor, att respektive gasfördelningsskikt (28, 30) vidare innefat- tar ett tunt finporigt skikt som bildar nämnda andra yta och ett tjockare skikt med större porer bakom det finporiga skiktet, var- vid de fina porerna är så valda att ingen katalysatormängd tränger in däri vid appliceringen av katalysatorskiktet därpå, och att minst ett av gasfördelningsskikten (28, 30) innefattar ett elektrolytre- servoarskikt (32) i elektrolytförbindelse med elektrolyten i elektro- lytutrymmet (22) mellan katalysatorskikten (18, 20).

2. Bränslecellstapel enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k - n a d a v att minst ett av gasfördelningsskikten (28, 30) inne- fattar ett flertal jämnt fördelade impregneringar (34) av hydro- filt material, såsom elektrolytreservoarer i förbindelse med elektro- lytutrymmet (22) mellan katalysatorskikten (18, 20).

3. Cellstapol enligt patentkrav J eller 2, k ä n n e t e C k - n a d a v att gasfördelningsskikten (28, 30) är sammanfogade med skiktet av gasogenomträngligt material (16) med hela sina första ytor.

4. Cellstapel enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d a v att anod- och katodkatalysatorskikten (l8 resp. 20) är fogade 10. 7808451-'6 till respektive gasfördelningsskikt (28, 30) med hela sina andra ytor.

5. Cellstapel enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d a v att respektive cell (12) innefattar ett huvud- eller matris- skikt (22) för lagring av elektrolyt, varvid matrisskiktet inne- fattar en yta som är fogad till och i väsentligen kontinuerlig kontakt med ettdera av katalysatorskikten (18, 20) och varvid den fria ytan är placerad intill i väsentligen kontinuerlig kontakt med det andra katalysatorskiktet (20, 18). 4

6. Cellstapel enligt något av patentkraven l - 5, k ä n n e - t etc k n a d a v att gasfördelningsskikten (28, 30) består av fibröst kolpapper.