SE452078B - Brenslecellanordning samt forfarande for framstellning derav - Google Patents

Description

452 Û78 2 sidan av separatorplattorna, så att bränsletillföringsorganen och tillföringsorganen för syrehaltig gas är riktade i huvud- sak vinkelrätt mot varandra. Anordningen kännetecknas av att båda de katalytiska elektroderna är hydrofoba och de elekt- riskt ledande separatorplattorna gjorts hydrofila vid ytorna.

Enligt en föredragen utföringsform användes en speciell per- fluorsulfonsyramembran såsom elektrolyt. Formen av de bipo- lära plattorna är lämpligen sådan, att diffusionssträckan för den syrehaltiga gasen är så kort som praktiskt är möjligt.

Uppfinningen avser även ett förfarande för framställning av sådana bränslecellanordningar, som definieras i de följande patentkraven.

Det är känt att bränsleceller kan fungera på ett ytterst för- delaktigt sätt såsom strömkälla, i synnerhet för vissa använd- ningsområden, exempelvis såsom primär källa för elektrisk energi i avlägsna områden, med begränsad service och under- håll, etc. Det är givetvis i sådana fall nödvändigt att W energisystemet icke endast bildar en enhet utan även är ytterst pålitligt och speciellt icke har nâgra rörliga delar.

Olika slags bränslecellsystem har sålunda konstruerats för att fylla dessa krav, men i samtliga fall har de medfört ett fler- tal problem. För det första har det i många sådana system varit svårt att reglera celltemperaturen och avlägsna avfalls- produkter som bildas i cellen. Celltemperaturreglering är i hög grad väsentlig och om detta icke åstadkommas med en mini- mal temperaturgradient tvärs över elektroderna, kan likformig strömtäthet icke upprätthållas och försämring eller förstöring av cellen uppträder. Ett därmed förenat problem har varit svårigheten att kontinuerligt tillföra och fördela de såsom utgångsmaterial använda reaktionskomponenterna över elektrod- ytorna. Detta problem liksom problemet att avlägsna avfalls- produkter är direkt relaterade till problemet med temperatur- kontroll och temperaturreglering, beroende på den speciella metod som användes för avlägsnande av avfall eller reaktions- produkter och/eller fördelning av reaktionskomponenterna. 452 078 3 En typ av bränslecell som konstruerats speciellt för att över- vinna dessa och andra problem visas och beskrives i den ameri- kanska patentskriften 3.709.736. Denna patentskrift beskriver ett bränslecellsystem som innefattar ett stapelarrangemang innefattande alternerande bränslecellaminat och värmeledande ogenomträngliga cellplattor, varvid laminaten innefattar bränsle- och syreelektroder på båda sidor av en elektrolyt innefattande en orörliggjord syra. I denna patentskrift diskuteras hur temperaturkontroll, avlägsnande av produkt- vatten och fördelning av syre tvärs över katoden âstadkommes utan behov av externt kylningssystem, separata kylmedel- fluider eller andra sådana komplexa arrangemang som använts tidigare. Vidare kan användning av kylflänsar i kombination med cellplattorna elimineras. Enligt den utformning som visas i den amerikanska patentskriften 3.709.736 åstadkommer oxidationsmedlet avlägsnande av överskottsvärme, avlägsnande av produktvatten och tillföring av oxidationsmedlet till cellerna. Få Såsom angivits i det föregående utnyttjas i det system som beskrives i den förutnämnda amerikanska patentskriften en elektrolyt innefattande en orörliggjord stabil syra och ett typiskt exempel pâ en sådan elektrolyt visas och beskrives i den amerikanska patentskriften 3.453.149, enligt vilken man utnyttjar en grundmassa bestående av en fluorkolpolymergel i vilken syraelektrolyten är innesluten. Inerta fasta oorga- niska porösa partiklar är införlivade i fluorkolpolymergelen för stabilisering av strukturen. De ovan angivna typerna av bränsleceller har visat sig vara mycket värdefulla.

En annan typ av bränslecell som har utvecklats utnyttjar en jonbytarmembran såsom elektrolyt mellan bränsle- och syre- elektroderna. Sålunda anges exempelvis i den amerikanska patentskriften 2.913.511 användning av ett jonbytarharts såsom elektrolyt, dvs. i form av en membran som separerar elektroderna. Den enligt denna patentskrift använda ut- föringsformen innefattar en hydratiserad jonbytarhartsmembran mellan elektroderna så att membranen är väsentligen mättad med 452 078 4 vatten och innefattar ett enkelt par av elektroder och en enda jonbytarmembran_mellan dessa liksom organ för ledning av strömmen från kanterna av elektroderna genom ledningsorganen 4 och 5 anordnade vid dessa. Senare har emellertid i den amerikanska patentskriften 3.134.697 angivits ett försök att förbättra sådana celler. Härvid anges i synnerhet att polari- sering av cellen kan minskas väsentligt med en speciell kombi- nation av elektrod och elektrolytkonstruktion för sådana jon- bytarhartsmembranbränsleceller. I synnerhet anges härvid en integrerande bindning och inbäddning av det gasabsorberande metallelektrolytorganet. I patentskriften anges emellertid att om de föredragna metallpulverelektrodmaterialen användes är den elektriska ledningsförmågan hos elektroden begränsad och det inre motståndet hos cellen ökas. I patentskriften anges sålunda att man använder kontaktgaller eller terminal- galler som står i kontakt med ändarna av elektroderna för strömkollektion, även i de fall när bipolära elektroder an- vändes med seriekoppling av cellerna.

En senare utveckling har varit försöket att använda vissa nyutvecklade jonbytarmembraner i den sistnämnda typen av bränsleceller. Denna senare typ av elektrolyt innefattar en membran av "NAFION"@Dperfluorsulfonsyra, som under senare tid utvecklats av DuPont Company. Dessa försök har sålunda inne- fattat framställning av bränsleceller som innefattar ett 4 Q katalysatorskikt med ett poröst metallkollektorgaller på båda sidorna av jonbytarmembranen, varvid varje sådant kata- lysatorskikt är inbäddat i en porös Teflon film för att för- hindra att fukt väter katalysatorytan och sålunda begränsar reaktionskomponenternas tillträde till denna. Eftersom dess- utom detta skikt är icke-ledande är det nödvändigt att upp- samla strömmen från kanterna av de enskilda cellerna på ett sätt liknande det som visas i den amerikanska patentskriften 2.913.511, som diskuterats ovan.

Man har därför fortsatt att försöka åstadkomma förbättrade bränslecellkonstruktioner och i synnerhet staplade konstruk- tioner med jonbytarmembraner. 452 078 Enligt föreliggande uppfinning har det visat sig möjligt att åstadkomma en ny bränslecellanordning som tillåter användning av vissa jonbytarmembraner såsom elektrolyter i sådana stap- lade bränslecellanordningar. Detta kan i synnerhet åstad- kommas genom att man utformar en sådan bränslecellanordning med ett flertal bränslecellaminat staplade samman och i huvud- sak parallella med varandra, så att varje bränslecellaminat innefattar en katalytisk bränsleelektrod, en katalytisk syre- elektrod samt jonbytarmembranen som verkar såsom elektrolyt- organ mellan dessa. Ett flertal elektriskt ledande bipolära plattor separerar de intill varandra belägna bränslecell- lamínaten i stapelkonstruktionen, varvid varje platta är för- sedd med motsatta sidoytor som står i kontakt med elektroderna hos cellerna i stapelarrangemanget, så att en av sidoytorna står i kontakt med en av bränsleelektroderna och den mot- satta sidoytan står i kontakt med en av syreelektroderna.

Vidare finnes organ för tillföring av bränsle till bränsle- elektroderna innefattande bränslegaskanaler på ytan av de bipolära plattorna som står i kontakt med bränsleelektrodernaf varvid kanalerna sträcker sig från en ände av plattan till den motsatta änden av denna, samt organ för tillföring av en syrehaltig gas till syreelektroderna innefattande syrgas- flödeskanaler på ytorna av de bipolära plattorna som står i kontakt med syreelektroderna, varvid dessa kanaler sträcker sig från en sida av de bipolära plattorna till den motsatta sidan av dessa, så att bränsle- och syrgasflödeskanalerna är i huvudsak vinkelrätta mot varandra. Vidare är elektroderna hydrofoba och separatorplattornas ytor har gjorts hydrofila.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar den använda jonbytarmembranen en perfluorsulfonsyramembran och bränsle- cellanordningen innefattar inlopps- och utloppssamlingsorgan för den tillförda bränslegasen.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen innefattar strömningskanalerna för både bränslet och den syrehaltiga gasen parallella spår i ytan av den bipolära plattan, som är 452 078 6 vänd mot bränsleelektroden resp. syreelektroden. Enligt en föredragen utföringsform av denna aspekt av uppfinningen är båda ytorna av den bipolära plattan, dvs. de som står i kon- takt både med bränsleelektroden och syreelektroden, försedda med sådana spår som sträcker sig mellan plattans ändar och mellan sidorna av plattan, så att man erhåller en kors och tvärs mönstrad yta för diffusion av gasen ifråga över hela ytan.

Enligt uppfinningen är ytorna av den bipolära plattan behand- lade på sådant sätt, att de gjorts hydrofila. Detta kan åstadkommas genom beläggning av den bipolära plattan med ett material med stor specifik yta, såsom kolloidal kiseldioxid.

Enligt denna utföringsform är det dessutom lämpligt att anordna organ för uppsamling av det vatten som på detta sätt transporteras av den bipolära plattan till kanterna av bränslecellenheten, exempelvis en veke vid kanterna av de bipolära plattorna. aa Enligt en annan aspekt av den föredragna utföringsformen av uppfinningen är avståndet mellan sidorna av den bipolära plattan, dvs. det avstånd som tillryggalägges av den syre- haltiga gasen som passerar över denna, begränsat och bestämt av diffusionshastigheten för den syrehaltiga gasen tvärs över ytan under rumsbetingelser. Enligt denna utföringsform åstad- kommes en förhållandevis trång bränslecellenhet så att den syrehaltiga gas som användes, beroende på dennas diffusions- hastighet, kan fördelas över hela ytan av den bipolära plattan i kontakt med den använda syreelektroden. Enligt denna ut- föringsform blir därför diffusionsbanan för den syrehaltiga gasen så kort som är praktiskt möjligt.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen innefattar de använda elektroderna elektriskt ledande porösa bärande subst- rat, företrädesvis med användning av ett tetrafluoretylen- fluorkolväte impregnerat med en kombination av kolhaltigt bindemedel och en kolburen platinagruppmetallkatalysator.

I synnerhet föredrages såsom kol kolsvart med låg porositet 452 078 7 och en specifik yta inom ett speciellt intervall som är lägre än det som normalt förefinnes i aktiverade förkolade kolmate- rial. Konstruktionen av denna elektrod är utformad på det sätt som visas i den amerikanska patentskriften 3.425.87É, och det som anges i denna patentskrift i detta avseende är avsett att utgöra en del av föreliggande beskrivning.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är de bi- polära plattor som användes företrädesvis uppbyggda av grafit och bränslet innefattar en vätehaltig gas, under det att den syrehaltiga gasen innefattar luft.

Enligt uppfinningen har man också åstadkommit ett förfarande för framställning av bränslecellanordningar av det slag som angivits i det föregående. Detta har i synnerhet àstadkommits genom tillverkning av en katalytisk syreelektrod, tillverkning av en katalytisk bränsleelektrod, anordnandet av en elektrolyt innefattande en jonbytarmembran, framställning av ett bränsle- cellaminat innefattande syreelektroden och bränsleelektroden bundna till respektive sida av jonbytarmembranen som användes såsom elektrolytorgan, anordnandet av en staplad bränslecell- anordning genom alternerande arrangemang av bränslecellaminat med bipolära plattor, varvid de bipolära plattorna är utfor- made med motstâende sidoytor i kontakt med elektroderna i cellaminaten i stapeln med en av ytorna i kontakt med en bränsleelektrod och motsatta ytan i kontakt med en syreelekt- rod samt ytan av de bipolära plattorna, som står i kontakt med bränsleelektroden, försedda med bränslegasströmnings- kanaler som sträcker sig från en ände av den bipolära plattan till den andra änden, samt ytorna av den bipolära plattan som står i kontakt med syreelektroden försedda med strömnings- kanaler för den syrehaltiga gasen, som sträcker sig från en sida av den bipolära plattan till den andra sidan av denna, så att strömningskanalerna för bränsle resp. syrehaltig gas är i huvudsak vinkelrätta mot varandra.

Enligt den föredragna utföringsformen av denna aspekt av upp- finningen framställes bränslecellaminaten genom att man 452 078 8 bringar den katalytiskt verksamma sidan av varje elektrod i kontakt_med den motsatta sidoytan av jonbytarmembranen, som användes såsom elektrolyt, och binder ytorna av elektroderna till ytan av jonbytarmembranen genom inverkan av värme och tryck på denna.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen behandlas ytorna av de bipolära plattorna med ett material som gör dessa ytor i hög grad hydrofila före sammanfogandet, företrädesvis en lösning av kolloidal kiseldioxidsol.

Det bör även observeras att bränslecellsystemet och förfarandet beskrives med en föredragen utföringsform enligt vilken väte- haltigt bränsle användes och luft användes såsom syrehaltig tillförd gas. Den till oxidationselektroden förda gasen kan utgöras av godtycklig inert gas, exempelvis kväve eller argon, som bär det erforderliga oxidationsmedlet.

I det följande ges en sammanfattning av ritningsfigurerna.

Figur l är en sprängd perspektivvy av en bränslecellanordning enligt uppfinningen.

Figur 2 är en schematisk tvärsektion i större skala av en detalj av en cellstapel enligt uppfinningen.

Figur 3 är en sidovy i perspektiv av en kompletterad bränsle- cellanordning enligt uppfinningen.

Figur 4 är en ändvy i perspektiv av en färdig bränslecell- anordning enligt uppfinningen.

Figur 5 är en sidovy i perspektiv av en färdig bränslecell- anordning enligt uppfinningen.

Ett speciellt kännetecken för bränslecellanordningar enligt uppfinningen är användningen av jonbytarmembraner såsom elektrolyt. 452 078 9 Lämpliga jonbytarmembraner är katjonbytarmembraner, exempelvis NAFION® , som tillverkas av DuPont. NAFION® är baserat på per- fluorsulfonsyrapolymer med hög kemisk och termisk stabilitet.

NAFION är genomträngligt för positivt laddade joner men är ogenomträngligt för negativt laddade joner. I NAFION-membra- nen är fluorkolpolymeren negativt laddad men väsentligen orörlig sulfonsyra. I bränslecellanordningen som innefattas av uppfinningen transporteras strömmen genom membranen med protoner.

Dessa elektrolyter är orörliga, vilket har den fördelen att gränsytan mellan elektroden.och elektrolyten är oförändrad och icke undergâr förändringar under celldriften. Det vatten som bildas vid omvandlingen av väte bortstötes från membranen och kan antingen avlägsnas såsom flytande vatten eller för- ångas. Detta skiljer anordningen från andra bränslecell- system, i vilka avsevärd omsorg måste iakttagas vid processen för avlägsnande av produktvatten, så att en stabil gränsyta mellan elektrod och elektrolyt bibehàlles. Vattenansamlingen i dessa celler kan leda till indränkning av elektrodstruk- turen och förlust av effektiviteten, eller också kan alltför kraftigt avlägsnande av vatten ha samma effekt genom att torka ut cellen. När elektrolyten drager ihop sig förloras kontakten med elektroden och effektiviteten minskar.

Såsom diskuterats i det föregående är ett annat väsentligt särdrag för uppfinningen att de med jonbytarmembran försedda cellerna användes staplade i kombination med bipolära cell- plattor. Dessa ledande och gasogenomträngliga plattor an- vändes för att âtskilja eller separera intill varandra belägna celler i cellstapeln och står i kontakt med elektroderna.

Såsom vidare diskuteras i det följande tillverkas dessa plat- tor av värmeledande material och är försedda med gasström- ningskanaler på de ytor som står i kontakt med elektroderna.

Vid val av lämpliga material för tillverkning av dessa cell- plattor mäste man beakta eventuell korrosion beroende på på- lagda potentialer. Vidare måste man beakta behovet av elekt- 452 078 risk och termisk ledningsförmåga liksom kostnaderna för mate- rialet och kostnaderna för tillverkningen. Dessa krav upp- fylles av ett flertal material, exempelvis titan, niob, tantal och sådana legeringar som hastalloy. Enligt föreliggande upp- finning är det emellertid särskilt lämpligt att använda gra- fit eller kolkompositmaterial med hartsbunden grafit. Möjlig- heten att använda dessa kolbaserade material eliminerar ett flertal problem och förenklar i synnerhet tillverkningen av den kanalförsedda konstruktionen, och gjutning eller extru- sionsformar kan användas för detta ändamål. Såsom angivits i det föregående kan allt detta åstadkommas enligt uppfinningen i ett system som icke använder nâgra rörliga delar för åstad- kommande av flödet av oxidationsmedelsgas över de bipolära plattorna.

De kanalbildande organ som utnyttjas för både bränsle och oxidationsmedelsgas innefattar spår som är inskurna i ytorna hos de bipolära plattorna. Sålunda användes ett flertal parallella spår som sträcker sig från ena änden av den bi- polära plattan till den andra änden på dennas yta i kontakt med bränsleelektroden, och ett flertal parallella spår som sträcker sig från en sida av den bipolära plattan till den andra sidan av denna (dvs. tvärs över den smalare breddut- sträckningen av en rektangulärt formad platta) på ytan av den bipolära plattan som står i kontakt med oxidationselektro- den användes även. Enligt en föredragen utföringsform är emellertid båda ytorna av den bipolära plattan försedda med spår som sträcker sig både från ändarna av plattan och från dennas sidor, så att ett rutmönster erhålles på denna. Häri- genom åstadkommes mer likformig fördelning av bränsle och oxidationsmedelsgas över ytan av elektroderna, i synnerhet om spåren delvis blockeras genom ansamling av vatten.

En annan väsentlig aspekt enligt uppfinningen är behandlingen av den bipolära plattan så att ytorna av denna blir hydrofila.

Såsom diskuterats i det föregående är det enligt uppfinningen väsentligt att avlägsna flytande vatten som bildas under drift 452 078 ll av bränslecellanordningen, eftersom bränslecellen enligt upp- finningen arbetar vid ca rumstemperatur och det bildade vatt- net eventuellt icke förângas helt. Vidare bortstötes vattnet av de hydrofoba elektroderna och måste avlägsnas från denna miljö för att tillåta cellen att fortsätta att arbeta. Av- lägsnandet av detta vatten åstadkommas enligt uppfinningen genom behandling av ytorna av de bipolära plattorna, innefat- Å tande de i det föregående diskuterade spåren, så att dessa göres hydrofila. Detta âstadkommes med användning av material med stor specifik yta, eller vätmedel, företrädesvis sådana material som kolloidala kiseldioxidsoler, och i synnerhet föredrages ett material betecknat LUDOXCD, som säljes under ~ “":"_-i':."..- detta varumärke av DuPont Corporation. Plattorna kan även vara belagda med suspensioner av aluminiumoxid eller kisel- dioxid~aluminiumoxid med stor specifik yta.

De andra huvudelement som erfordras i bränslecellanordningar enligt uppfinningen är själva elektroderna och i detta fall den speciella metoden för framställning av bränslecellamina- ten, dvs. innefattande ett par elektroder på vardera sidan av jonbytarmembranen som användes såsom elektrolyt.

De elektroder som användes enligt uppfinningen innefattar ett tunt poröst bärande eller stödande substrat och bundet till detta substrat och på ytan av porer i detta en blandning av kolhaltigt bindemedel och en kolburen platinagruppmetall såsom katalysator. Det substrat på vilket katalysatorn är pâförd utgöres av ett i hög grad poröst skikt eller ark av kolfibrer, som typiskt har en tjocklek av 0,25 till 0,5 mm.

Denna struktur är företrädesvis impregnerad med en utspädd teflonemulsion och upphettad till ca 325°C. Detta gör mate- rialet vattenrepellerande. Vatten som bildas i katalysator- skiktet under cellens arbete pressas eller tvingas genom detta vattenbortstötande material utan att igensätta porerna.

Till följd härav kommer tillträdet av reaktionskomponent- gaserna till katalysatorn icke att begränsas.

Den specifika utformningen hos bränslecellanordningen enligt 452 078 12 uppfinningen liksom förfarandet för framställning därav anges utförligare i det följande under hänvisning till ritnings- figurerna.

På de bifogade ritningsfigurerna, på vilka överensstämmande detaljer är betecknade med samma hänvisningsbeteckningar, visar figur l ett helt stapelarrangemang av en bränslecell- anordning enligt uppfinningen innefattande enskilda bränsle- cellaminat 1. Varje sådant laminat l (såsom visas tydligare på figur 2) innefattar en jonbytarmembran 3 och ett par elekt- roder 5 (som visas på figur 2 såsom 5a och Sb, nämligen bränsleelektrod resp. oxidationsmedelselektrod). Såsom visas på figur l är varje elektrod 5 anordnad inom ytomfånget för jonbytarmembranen, som användes i elektrolyten, och uppvisar ett ytomfâng som är mindre än ytomfånget av den sistnämnda.

Härvid sträcker sig rektangulära packningar 7, som i huvudsak har samma omfång som jonbytarmembranen, förbi kanten av elekt- roderna 5 och användes för att bygga upp den staplade konstruk- tionen enligt uppfinningen, dvs. före införlivandet av de bipolära plattorna i denna.

Elektroderna är bundna till båda ytorna av jonbytarmembranen.

Detta åstadkommes genom att man anbringar elektroderna med katalysatorsidan vänd mot jonbytarmembranen på båda sidor av denna och anbringade centralt på denna.

Bindning åstadkommes därefter genom inverkan av värme och tryck, innefattande en temperatur av ca 93 till 205°C och ett tryck av mellan ca 35 och 175 kp/cmz och företrädesvis ca 56 kp/cmz. Detta kan lämpligen åstadkommas med hjälp av en hydraulisk press med upphettat pressbord.

Såsom visas på figur l innefattar hela bränslecellstapeln alternerande bipolära plattor och cellaminat. Såsom disku- terats i det föregående är de bipolära plattorna försedda med bränslegasströmningskanaler som sträcker sig från ändarna 8a till 8b av stapeln, såsom visas vid 12, och strömningskanaler 14 för syrehaltig gas, som sträcker sig från ena sidan lOa 452 078 13 till andra sidan 10b av stapeln. Såsom framgår av figur 2 är dessa spår vända mot ytan av bränsleelektroden Sa resp. oxida- ' tionselektroden Sb, och det kan vidare observeras att spåren i den bipolära plattan på den sida, som är vänd mot oxida- tionsmedelselektroden, är djupare än spåren på den sida, som är vänd mot bränsleelektroden. Sålunda är exempelvis i en bipolär platta av kol med tjockleken 4,1 mm spåren på ytan mot oxidationsmedelselektroden utformade med en bredd av ca 1,52 mm och ett djup av 1,52 mm med mellanliggande åsar med en vidd av ca 0,76 mm, under det att den mot bränsleelektroden vända ytan är försedd med spår med bredden 1,52 mm och djupet 0,76 mm med mellanliggande åsar med bredden 0,76 mm. Ända- målet med användning av djupare spår på den mot syreelektroden vända sidan är att åstadkomma ökad tvärsektionsarea för diffu- sion av reaktionskomponenterna.

Det kan observeras att även om gasströmningskanalerna visas såsom spår enligt de utföringsformer som visas på figurerna 1 och 2, är det även möjligt att utforma kanalerna med annan form, exempelvis såsom upphöjningar eller präglingar på plat- tan, när, sträckplätstrukturer (expanded metal) anordnade ovanför den bipolära plattan, etc. Det i det föregående nämnda kors och tvärs gående mönstret, varvid varje yta av de bipolära plattorna är försedd med spår som sträcker sig från ände till ände liksom från sida till sida, är endast en av ett flertal utföringsformer som är lämpade för plattans yta, dvs. avsikten är endast att fördela de tillförda reaktions- komponenterna likformigt över elektrodytan.

Bränslecellanordningen eller stapelkonstruktionen enligt upp- finningen innefattar sâlunda ett flertal individuella cell- laminat, som visas på figurerna l och 2 och som är samman- spända utvändigt med varandra. Såsom visas pâ figur l inne- fattar stapeln en anodändplatta l7 vid ena änden av serien av cellaminat och en katodändplatta 19 vid den andra änden.

Dessa ändplattor motsvarar bipolära plattor, som emellertid endast innefattar en yta i kontakt med en elektrod. Inner- ytan av anodändplattan 17 är sålunda försedd med spår 20 för .eI-:åfl 452 078 14 kontakt med bränsleelektroden, och den andra sidan av anodänd- plattan är väsentligen flat, under det att katodändplattan 19" på liknande sätt endast är försedd med spår som sträcker sig över ytan av plattan från ena sidan lOa till den andra sidan lOb av bränslecellen för fördelning av den syrehaltiga gasen över ytan av oxidationsmedelselektroden, varvid även i detta fall den andra sidan av denna platta är väsentligen slät.

På dessa väsentligen släta sidor av både anodändplattan och katodändplattan är anordnade strömkollektorer 22, som väsent- ligen innefattar en metall som säkerställer lågt kontaktmot~ stånd med kolplattan, exempelvis koppar, eller pläterad kop- parfolie eller exempelvis silver-kopparpläterad folie.

Cellerna färdigställes därefter genom anbringande av täck- plattor 24-vid vardera änden. Hela bränslecellen kan därefter spännas samman kraftigt med bultar till en enda enhet med hjälp av bränslefördelningslocken 26 vid vardera änden av stapeln, dvs. genom sammanpressning av stapeln och med an- vändning av skruvar 28, som anordnas i motsvarande hål 31 på få ändarna av vardera sidan av täckplattorna.

Bränslefördelningsorganen i sig innefattar ett bränsleinlopps- rör och bränsleutloppsrör. Det sistnämnda kan emellertid blockeras, om bränslecellen drives med rent väte såsom bränsle och om till följd härav ansamlingen av inertgaser är ringa.

Anordningen fullbordas vidare dessutom genom anbringande av spännband 32 på sidorna av bränslecellen, vilka likaledes är förenade med den övre täckplattan och den nedre täckplattan 24 med hjälp av skruvar, som är införda genom spännbanden i hål 34 på sidorna av täckplattorna. Den slutliga utform- ningen framgâr av figurerna 3, 4 och 5.

Det kan även observeras, såsom tydligast framgår av figur 3, att en bränslefördelningspackning 36 med en öppen rektangulär form är anordnad mellan sidan av stapeln och bränslefördel- ningsorganet 26 för att tillåta fördelning av bränsle från inloppet 30 i fördelningsorganet 26 och slutligen in genom 452 D78 öppningarna 12 vid ändarna av de bipolära plattorna.

Såsom vidare framgår av figur 1 inströmmar den syrehaltiga gasen genom öppningarna 14 längs sidorna av bränslecellstapeln genom diffusion, varvid den drivande kraften utgör den kon- centrationsskillnad som uppkommer när syre förbrukas i stapeln genom den elektrokemiska reaktionen. På detta sätt elimineras _-.. s - användningen av ytterligare organ för att driva den syrehal- tiga gasen genom spåren i den bipolära plattan och inga rör- liga delar erfordras för att åstadkomma denna funktion. Såsom ” angivits i det föregående är därför vidden av de bipolära plattorna, dvs. från sidan lOa till lOb, begränsad med hänsyn till diffusionsegenskaperna hos den använda syrehaltiga gasen.

I detta fall utgör vidden från ca 12,7 till 127 mm, före- trädesvis ca 51 mm, så att luft kan diffundera hela vägen tvärs över ytan av plattan i kontakt med syreelektroden.

Dessa dimensionsbegränsningar gäller icke om rent syre eller anrikat syre eller anrikad luft användes. I sådana fall ut- vecklas en tryckskillnad när syre förbrukas i cellerna, varigenom en kraft utvecklas för syretransport till stapeln.

För arbete med syre har man exempelvis använt en stapel med samma allmänna konstruktionsutformning som den på figur l visade men med celldimensionerna 25 x 25 cm för att säker- ställa avlägsnandet av bildat vatten från stapeln, och denna bränslecell användes företrädesvis i vertikalt läge så att Vattnet kan ansamlas genom inverkan av tyngdkraften vid en ände och avlägsnas med en veke.

Claims (20)

Jb Qfl ßfil CD *J a) 1% PATENTKRAV

1. l. Bränslecellanordning som innefattar ett flertal bränslecellaminat (1) sammanstaplade väsentligen parallellt med varandra, varvid varje bränslecellaminat innefattar en katalytisk bränsleelektrod (Sa), till vilken ett bränsle till- föres, en katalytisk syreelektrod (5b), till vilken en syre- haltíg gas tillföres, samt ett elektrolytorgan mellan dessa elektroder, varvid elektrolytorganet innefattar en jonbytar- membran (3), samt ett flertal elektriskt ledande separator- plattor (2), som åtskiljer intill varandra belägna bränsle- cellaminat i stapeln, varvid var och en av dessa plattor är anordnade med motstående sidoytor i kontakt med elektroderna i cellerna i stapeln, varvid en av sidoytorna står i kontakt med en av bränsleelektroderna och den motsatta sidoytan står i kontakt med en av syreelektroderna, organ för tillföring av bränsle till bränsleelektroden innefattande ett flertal bränslegasströmningskanaler (l2) på de ytor av separatorplat- " W torna (2), som står i kontakt med bränsleelektroderna och varvid dessa bränsletillföringsorgan sträcker sig från ena änden (Ba) av separatorplattan (2) till den motsatta änden (Bb) av separatorplattan, samt organ för tillföring av en syrehaltig gas till syreelektroden innefattande ett flertal strömningskanaler (14) för syrehaltig gas på de ytor av sepa- ratorplattorna (2), som står i kontakt med syreelektroderna, varvid tillföringsorganen för syrehaltig gas sträcker sig från ena sidan (l0a) av separatorplattorna (2) till den motsatta sidan (l0b) av separatorplattorna, så att bränsletillförings- organen och tillföringsorganen för syrehaltig gas är riktade i huvudsak vinkelrätt mot varandra, k ä n n e t e c k n a d därav, att båda de katalytiska elektroderna (Sa, 5b) är hydro- foba och de elektriskt ledande separatorplattorna (2) gjorts hydrofila vid ytorna.

2. Bränslecellanordning enligt patentkrav l, k ä n - n e t e c k n a d därav, att jonbytarmembranen innefattar en perfluorsulfonsyramembran, företrädesvis en membran av per- 452 078 H- fluorsulfonsyramaterial.

3. Bränslecellanordning enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att anordningen innefattar bränslefördelningsorgan (26) vid vardera änden av bränslecell- anordningen för fördelning av bränsle till bränsletillförings- organen vid en ände av separatorplattorna (2).

4. Bränslecellanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att ytorna av separatorplattorna (2) gjorts hydrofila genom behandling med en vätskeformig komposition innehållande partiklar med stor specifik yta, i synnerhet en vätskeformig komposition inne- hållande en kolloidal kiseldioxidsol.

5. Bränslecellanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innefattar organ för uppsamling av vatten som bildas i bränslecellamina- ten (l), varvid uppsamlingsorganen företrädesvisrutgöres av vekorgan förenade med kanterna av bränslecellaminaten.

6. Bränslecellanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att avståndet från en sida av en separatorplatta (2) till motstående sida, som definierar längden av tillföringsorganen för den syrehaltiga gasen, är tillräckligt kort för att tillåta diffusion av den syrehaltiga gasen tvärs över hela ytan av separatorplattan under omgivningsbetingelserna.

7. Bränslecellanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att elektroderna innefattar ett tetrafluoretylen- och/eller fluorkolmaterial impregnerat med en kombination av kolhaltigt bindemedel på en kolbunden platinagruppmetallkatalysator.

8. Bränslecellanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att separatorplat- torna (2) innehåller grafit eller ett kolkompositmaterial. 452 078 18

9. Bränslecellanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att en anodänd- platta (17) är anordnad vid den ände av bränslecellaminatsta- peln, som är försedd med en bränsleelektrod, samt att en katodändplatta (19) är anordnad vid den ände av stapeln av bränslecellaminat, som är försedd med en syreelektrod.

10. Bränslecellanordning enligt patentkrav 9, k ä n - n e t e c k n a d därav, att anodändplattan är försedd med -bränsletillföringsorgan samt att katodändplattan är försedd med tillföringsorgan för den syrehaltiga gasen.

11. ll. Bränslecellanordníng enligt patentkrav 10, k ä n - n e t e c k n a d därav, att anordningen innefattar ett par strömkollektorplattor (22), av vilka en strömkollektorplatta är anordnad vid vardera änden av bränslecellanordningen, var- vid kollektorplattorna står i kontakt med anodändplattan resp. katodändplattan och är utformade för uppsamling av ström som produceras i bränslecellaminaten, varvid strömkollektorplat- ëä torna är anordnade väsentligen parallella med bränslecellami- naten.

12. Bränslecellanordníng enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att anordningen innefattar ett flertal rektangulära packningsorgan (7) anord- nade mellan bränslecellaminaten, varvid packningsorganen huvudsakligen står i kontakt endast med den jonbytarmembran, som användes såsom elektrolyt.

13. Förfarande för framställning av en bränslecellanord- ning, k ä n n e t e c k n a t därav, att man sammanför ett flertal hydrofoba och elektriskt ledande katalytiska bränsle- elektroder (Sa), ett flertal hydrofoba och elektriskt ledande katalytiska syreelektroder (Sb), ett flertal elektrolyter innefattande jonbytarmembraner (3), bereder ett flertal bränslecellaminat genom att binda en katalytisk bränsleelekt- rod och en katalytisk syreelektrod till motstående sidoytor av elektrolyten, formar en staplad bränslecellanordning genom att 452 078 lå stapla dessa bränslecellaminat alternerande med ett antal elektriskt ledande separatorplattor (2) som gjorts hydrofila vid ytan och är försedda med organ för tillföring av bränsle till de katalytiska bränsleelektroderna i kontakt med en yta av dessa, varvid dessa bränsletillföringsorgan innefattar bränslegasströmningskanaler (12), som sträcker sig från en ände av plattan (2) till den motsatta änden, samt separator- plattorna dessutom är försedda med organ för tillföring av syre till den katalytiska syreelektroden i kontakt med den andra sidoytan av plattan, varvid organen för tillföring av syre innefattar strömningskanaler (14) för syrehaltig gas, som sträcker sig från en sida av separatorplattorna (2) till den motsatta sidan, så att bränslegasströmningskanalerna och strömningskanalerna för den syrehaltiga gasen är riktade i huvudsak vinkelrätt mot varandra.

14. Förfarande enligt patentkrav 13, k ä n n e t e c k - n a t därav, att man binder de katalytiska bränsleelektro- derna och de katalytiska syreelektroderna till huvudsakligen den centrala delen av elektrolyterna, varvid elektrolyterna är utförda större än elektroderna, så att elektroderna är anord- nade helt inom ytomfånget av elektrolyterna med kvarlämnande av en del av ytan av elektrolyterna obetäckta av elektroderna.

15. Förfarande enligt patentkrav 13 eller l4, k ä n - n e t e c k n a t därav, att man anordnar packningsorgan mellan bränslecellaminaten och separatorplattorna (2), varvid packningsorganen har en utsträckning som i huvudsak överens- stämmer med den del av elektrolyterna, som är obetäckt av elektroderna.

16. Förfarande enligt något av oatentkraven l3-15, k ä n n e t e c k n a t därav, att man behandlar ytorna av separatorplattorna (2) med ett vätmedel innehållande partiklar med stor specifik yta, så att plattornas ytor göres hydrofila, företrädesvis ett vätmedel som innefattar kolloidal kisel~ dioxidsol. 452 078 343

17. Förfarande enligt något av patentkraven 13-16, k ä n n e t e c k n a t därav, att elektroderna bindes till elektrolyterna genom inverkan av värme och tryck, företrädes- vis en temperatur mellan ca 93 och 204°C samt ett tryck mellan ca 35 och 175 kp/cm”.

18. Förfarande enligt något av patentkraven 13-17, k ä n n e t e c k n a t därav, att man anordnar en anodänd- platta vid den ände av stapeln, som innefattar en katalytisk bränsleelektrod, samt anordnar en katodändplatta vid en ände av stapeln, som innefattar en katalytisk syreelektrod.

19. Förfarande enligt patentkrav 18, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den yta av anodändplattan, som står i kon- takt med den katalytiska bränsleelektroden, är försedd med bränslegasströmningskanaler, samt att den katodändplatta, som står i kontakt med den katalytiska syreelektroden, är försedd med strömningskanaler för den syrehaltiga gasen.

20. Förfarande enligt något av patentkraven 13-19, k ä n n e t e c k n a t därav, att strömkollektorplattor är anordnade vid båda ändar av bränslecellanordningen i kontakt med anodändplattan och katodändplattan, varvid strömkollektor- plattorna är elektriskt ledande för uppsamling av ström som genereras i bränslecellanordningen.