SE516741C2 - Bipolär platta för bränslecell eller elektrokemisk reaktor samt användning av plattan i en bränslecellstack eller elektrokemisk reaktor - Google Patents

Description

l5 516 741 2 Den bipolära plattans funktion beräffande ovannämnda bränsleceller är att leda gaser till båda sidor av de membran med pålagda elektroder-MEA (Membrane elctrode assembly) som utgör bränslecellstackens aktiva del. Plattorna skall vidare leda ström från en cell till nästa och på så sätt seriekoppla de enskilda cellerna. Slutligen skall plattorna kyla stackens celler genom att distribuera kylvatten. De egenskaper som eftersträvas genom den bipolära plattan är tunnhet, låg kostnad, hög konduktivitet och vänneledning, korrosionstålighet och mekanisk stabilitet.

Det är också viktigt att flödesfördelningen är jämn inom varje cell samt mellan celler i stacken liksom att den bipolära plattan har relativt stor aktiv area där gaserna distribueras och en relativt liten passiv del kring denna för att ge stacken en god effekttäthet.

Ovannämnda bipolära plattor har sin användning i bränsleceller, men är också generellt användbara i elektrokemiska reaktorer för elektrolys etc.

Det vanligast förekommmande materialet för bipolära plattor är grafit, vilket har god elektrisk konduktivitet och god korrosionstålighet, men det är dock kostsamt och skört. Andra material som testats är titan, polymerer med grafitinblandning (Grafoil ,varumärke), och aluminium.

För fördelning av gasema föreslås t ex i USP 5981098 användning av maskinfrästa kanaler, under det att användning av porösa skikt framgår av 5482792.

Av USP 6037072 framgår användning av metallnät som gasfördelningskomponent i bränsleceller. Metallnätet fyller därvid funktionen att sprida gasema utefter elektrodemas yta - katoden på en intilliggande cell och anoden hos en cell på motstående sida. En tunn folie mellan näten har funktionen att särskilja gaserna åt - luft alt. syrgas för katoden och vätgas eller en vätgasblandning alt. metanol/vattenblandning för anoden. Konstruktionen bygger dock på diagonala gasflöden via näten, vilket i sin tur innebär betydande strömningsmotstånd p g a höga flödeshastigheter, vid den trånga ingångsöppningen i flödesområdets hörn.

Närmare beskrivning av uppfinningen Uppfinningen avser en bipolär platta med två gasfördelningsmönster och ett mellanliggande metallskikt, vilken sammanfogats medelst lödning/svetsning till en kompakt enhet som distribuerar gas till en cells anod på sin ena sida och en annan cells katod på sin andra sida.

Den bipolära plattan kan framställas i två utföringsforrner som följer. l5 516 741 Den första utföringsformen med den i förekommande fall använda beteckningen ”bipolär platta utan inre kylning” innefattar endast de tre komponenter som framgår av det föregående, vilka utgöres av två utanpåliggande gasfördelningsskikt för gasdistribution och ett mellanliggande avgränsningsskikt.

Den andra utföringsfonnen betecknas i förekommande fall ”bipolär kylplatta”, där kylmedium cirkulerar inuti den bipolära plattan. En komponent i den bipolära kylplattan består av ett nät med i samma plan och med samma tjocklek omkringliggande ram av metall. Kylmedium strömmar genom nätet. På båda sidor om nätet ligger ett avgränsningsskikt med utanpåliggande gasfördelnigsskikt för gasdistribution. Föreliggande bipolära kylplatta består följaktligen av fem komponenter.

Gasfördelningsskikten kan t ex vara nät uppbyggda av metalltråd eller utgöras av andra gasgenomträngliga skikt med porös struktur och god elektrisk konduktivitet/värrneledningsförmåga, t ex nät av rak eller slingformig metalltråd , expanderad/ sträckt metallplåt med porös nätstruktur, sintrade metallmaterial eller annan porös struktur med lågt flödesmotstånd i x-, y- och/eller z-riktningen, t ex på basis av metalliserad cellplast med öppna porer. Metallnäten kan massproduceras och tillskäras genom enkla och beprövade processer. Tunna metallplåtar för avgränsningsskikten kan likaså bearbetas i stor skala, t ex genom stansning eller laserskäming till slutlig utformning för den iörbestämda konstruktionen.

Näten, vilka dessutom kan fungera som stödelement i de båda konstruktionema utgörs av ett nät för distribution av gas till anod och ett nät för distribution av gas till katod, samt ett kylnät för distribution av kylmedium. F ordringama på jämn distribution är inte lika väsentlig i kylkretsen som i gaskretsama. Kylnätets främsta funktion är istället att möjliggöra god elektrisk ledning genom att det direkt förbinder de båda avgränsningsskikten med varandra.

Genom att det fyller upp det motsvarande utrymmet inuti kylramen utgör det vidare ett mekaniskt stöd så att plattan inte får en konkav geometri när stacken trycksätts, vilket skulle leda till ojämnt tryck och hög kontaktresistans i övergångama mellan platta och elektrod.

Näten kan utformas olika i fråga om nätstruktur som t ex trådtjocklek och maskvidd samt speciellt avpassas för fluiden och de förbestämda strömningsbetingelsema. 516 741 Avgränsningsskiktet är samma för den bipolära plattan utan kylning och den bipolära kylplattan och förekommer i form av en komponent i den förstnämnda samt i form av två komponenter i den sistnämnda.

De olika komponentema sammanfogas företrädesvis genom lödning till resp. typ av bipolär platta, och man erhåller därigenom ett kompakt och lättmonterat plattelement för uppbyggnad av bränslecellstackar och cellstackar av kemiska reaktorer. Enheten uppvisar utmärkt elektrisk ledningsförrnåga, värmeledningsförrnåga, mekanisk stabilitet samt täthet.

Vid ihopmonteringen av de separata plattenheterna till respektive cellstackar anbringas mellanliggande packningar for tätning, vars geometri närmare framgår av efiertölj ande beskrivning. Packningama utgöres av elastmaterial med god syrabeständighet, alkalibeständighet och värmebeständighet, t ex silikongummi eller likvärdigt polymermaterial.

I de bifogade ritningsfigurerna återges som föredragna exempel på de båda utföringsformema av uppfinningen som frontvy i : fig. 1 den bipolära plattans komponenter, fig. 2 komponentema i den polära plattan utan inre kylning, fig. 3 kylskiktet i den bipolära kylplattan, samt i fig. 4 gasnäten på avgränsningsskikten.

Inledningsvis hänvisas till fig. 1, i vilken den bipolära kylplattans fem skikt återges. Överst befinner sig det gasnät (1), som ligger an mot MEA. Nätet är fastlött vid det underliggande avgränsningsskiktet (2), d v s en plåt vars funktion är att avgränsa gasflödet. Skiktet kan vara så tunnt som lödprocessen tillåter, varvid skikttjockleken företrädesvis ligger inom intervallet 0.1-0.5 mm. Längs avgränsningsskiktets periferi befinner sig öppningar för gasflöden (5) och kylvatten (4). Gasnätet är rektangulärt utforrnat,så att det utlöper mellan gaskanaler (5) på motstående sidor och därigenom möjliggör flöde mellan dessa. Gaspassagen längs en sida är företrädesvis uppdelad i ett mindre antal kanaler, i detta fall tre till antalet, via motsvarande öppningar i avgränsningsskiktet. Genom de plåtytor, som åtskilj er öppningarna erhåller skiktet god stadga, och hanteringen förenklas under tillverkningen. 516 741 Enligt en viktig aspekt av uppfinningen angränsar gasnätet endast mot gaskanaler (5) på två motstående kanter av avgränsningsskiktet (2), och efter det att det ihoplödda plattelementets fria plåtytor försetts med ovanpåliggande packning kring gasnätet möjliggöres nätflöde endast mellan de två motstående kanterna. Packningen hindrar nätflöde mellan avgränsningsskiktets båda återstående kanter.

De hack (9), som anordnats upptill på de båda avgänsningsskikten och mellanliggande skikt är avsedda att fungera som anslutningsjack för mätning via kontaktstift av den bipolära plattans potential och därigenom möjliggöra individuell spänningsövervakning av de olika cellema. Spänningen hos var och en av stackens celler skall ligga på samma nivå varierande mellan 0.5 och 1 volt. En avvikande låg cellspänning utgör en felindikation. Det kan t ex röra sig om att ett membran har för låg fukthalt , eller att luft alt. vätgas inte tillförs i den takt den förbrukas, varvid cellen stryps och kan skadas.

Det mellanliggande skiktet (3), som är placerat under det övre nätet (1) och underliggande avgränsningsskikt (2) i fig. 1 är kylskiktet (3) som utgöres av en metallram-kylram vari ett kylnät (8) med kylfunktion är placerat. Kylramen innesluter helt gaskanalema men har spalter (6) från de fyra kylkanalerna (4) i hömen. Genom de två spaltema nedtill kommer kylmediet, t ex vatten att drivas in och genom de två spaltema i toppen kommer kylmediet att strömma ut. Spaltbredden ligger beroende på plattans dimensioner företrädesvis inom intervallet 0,2- O,7 mm. En spalt (7) mellan kylnätet och kylramen vid inlopp och utlopp förbättrar dessutom fördelningen av kylvatten från spaltema i hömen utefter hela nätets yta. Kylnätet innesluts helt i det hålrum, som byggs upp av kylramen och de sammanlödda avgränsningsskikten.

Kylramens och kylnätets tjocklek måste överensstämma för att ge en plan konstruktion. Vid sammanlödningen/svetsningen av kylnätet och kylramen med de ovanliggande och underliggande ytor eftersträvas god elektrisk ledning mellan skikten samt tätning av gas- och vattenkanaler.

Det fjärde skiktet enligt fig. 1 utgöres av ett andra avgränsningsskikt (2). På dess baksida är ett gasnät fastlött med ändamål att leda ett andra gasflöde, t ex luft , via nätet (1) utefter angränsande MEA. Detta gasnät är vridet 90° relativt det inledningsvis omnämnda översta gasnätet för t ex vätgasflöde. Därvid är kanalema (5) i topp och botten förbundna via nätet för gastillförsel och gasutflöde. Principen med gasflödena via gasnäten med 90° vridning framgår tydligast av fig. 4, som avser en frontvy från den bipolära plattans fram- och baksida. l0 l5 516 741 I fig. 2 återges exempel på en utföringsforrn enligt uppfinningen av den bipolära plattan utan inre kylning. Konstruktionen är snarlik den bipolära kylplattan, med skillnaden att kylskiktet och ett avgränsningsskikt utgår. Detta innebär att gasnäten (1) är fastlödda vid fram- och baksidan av överensstämmer med vad som beskrivits beträffande den bipolära kylplattan. samma avgränsningsskikt (2).Observera att vridningen av gasnäten Genom den föreliggande lösningen har man i förhållande till tidigare teknik bland annat kunnat eliminera de tryckförluster hos gasflödet, som t ex i USP 6037072 inbegriper diagonala strömningsvägar utefter elektrodytoma. Den tvärgående gasströmning, som därvid uppnås enligt föreliggande uppfinning längs resp plattyta resulterar i låga flödesmotstånd genom de betydligt större inlopps- och utloppsareorna.

Det kylskikt , vilket beskrevs i det föregående som ingående del i den bipolära kylplattan åskådliggöres närmare i fig. 3. Kylnätet är centrerat i ramen så att därigenom en spalt (7) erålles mellan den undre ramkanten och nätet samt en spalt (7) erhålles upptill mellan ramkanten och nätet. Detta ger upphov till en kanal för fördelning av inkommande flöden i botten och utgående flöde i toppen. På så sätt kommer kylflödet att fördelas jämnt utefter hela ytan, samtidigt som tryckfallet minimeras.

I fig. 4 åskådliggöres nännare orienteringen av gasnäten på avgränsningsskikten. Gasnäten (1) placeras centerade på avgränsningsskikten (2). När det gäller den bipolära kylplattan placeras gasnätet på ett avgränsningsskikt så att nätstrukturen förbinder tillflödeskanalema (5) på sidorna. På ett annat avgränsningsskikts motsatta sida placeras gasnätet så att nätstrukuren förbinder tillfödeskanalerna i topp och botten. Mellan de båda avgränsningsskikten placeras kylramen (3) med nät. Beträffande den bipolära plattan utan inre kylning placeras slutligen gasnäten som enligt det föregående, men dock på ett och samma avgränsningsskikt.

De föreliggande bipolära plattoma erbjuder ett flertal fördelar: lödningen ger en mycket god elektrisk ledningsfönnåga, vilket minimerar de elektriska förlusterna. God värmeledning blir likaså en konsekvens av lödningen och materialvalet som underlättar kylningen. Tack vare de tvärgående flöden, som utlöper från öppningar, samt är fördelade utefter hela kantlängden blir gasfördelningen ytterst homogen längs vardera cellytan, vilket är en förutsättning för effektivt utnyttjande av tillförda reaktanter. Den breda tillförseln minimerar tryckfallet, vilket 516 741 7 begränsar kompressorarbetet for att forcera luft genom stacken. Användningen av väldefinierade metallnät möjliggör även en mycket liten spridning av tryckfallet mellan olika celler, vilket medför att flödesfordelningen blir jämn mellan cellema i stacken. Dessutom möjliggöres kompakt och robust uppbyggnad av den bipolära plattan genom de separata komponenternas enkla konstruktion.

Claims (10)

10 15 20 25 30 516 741 8 Patentkrav

1. ) Bipolär platta för bränslecell eller elektrokemisk reaktor, innefattande en distributionskomponent (l) på vardera ytterytan av ett metallskikt (2) för fördelning av gas längs en katodyta resp. anodyta, kännetecknad av att plattan utgöres av en ihoplödd och/eller ihopsvetsad enhet (10) av metall med passager för flöde av gas (5) resp. kylmedium (4), varvid: a) en distributionkomponent i form av ett, företrädesvis genom lödning, fast rektangulärt gasfördelningsskikt (1) är centrerad på metallskiktets vardera sida för fördelning av gas till katodytan resp. anodytan; b) mot elektrodytoma i metallskiktets nedre kant och övre kant resp. vardera sidstående kant öppningar (5) befinner sig i metallskiktet med längsgående placering utanför gasfördelningsskiktet (1) samt med utbredning utefter hela kantlängden för gasflöde via gasfördelningsskiktet (1) utefter vardera elektrodytan; c) gasfördelningsskikten ( 1) mot resp. elektrodyta angränsar till enbart öppningar (5) vid två motstående kanter, varvid gasens flödesväg utefter katodytan är vinkelrätt orienterad mot den motsvarande flödesvägen för gasen utefter anodytan; d) passager (4) befinner sig i vardera hörnet av metallskiktet för flöde av kylmedium, varvid eventuellt en separat kylkrets (3) är integrerad i metallskiktet (2,3,2).

2. ) Bipolär platta för bränslecell enligt krav 1, kännetecknad av att en kylkrets (3) integrerats i metallskiktet., varvid metallskiktet är uppbyggt av 3 ihoplödda skiktelement (2,3,2) innefattande två yttre avgränsningsskikt (2) med ett mellanliggande skiktelement (3) i form av en kylram , samt ett därigenom omslutet fastlött kylnät (8) för fördelning av kylmediet , varvid flödesvägarna för gas (5) och kylmedium (4) sammanfaller med i ramen befintliga motsvarande passager, samt spalter (6) utlöper från resp. passage för kylmedium i det mellanliggande skiktelementet till ett närbeläget höm av kylnätet (8) för fördelning av kylmediet. 10 15 20 25 30 516 741 9

3. ) Bipolär platta för bränslecell enligt krav 2, kännetecknad av att i mellanliggande skiktelement (3) för fördelning av kylningen kylnätet (8) är centrerat samt angränsar till två motstående kanter av kylramen (3) samt att utefter de båda återstående kantema i anslutning till de spalter (6), som utlöper från resp. passage av kylmediet spalter (7) utlöper mellan kanten och kylnätet ( 8) för genomflöde via spalten (7) och fördelning av kylmedium via kylnätet (8).

4. ) Bipolär platta för bränslecell enligt krav 1 till 3, kännetecknad av att gasfördelningsskikten (1) samt kylnätet (8) utgöres av nät uppbyggda av rak eller slingfonnig metalltråd.

5. ) Bipolär platta enligt krav 1 till 3, kännetecknad av att gasfördelningsskikten (1) utgöres av porösa material med låga genomflödesmotstånd och god konduktivitet, företrädesvis sträckt/expanderad metallplåt med nätstruktur, sintrade metallmaterial eller metalliserad cellplast.

6. ) Bipolär platta för bränslecell enligt något av föregående krav, kännetecknad av att avgränsningsskikten (2) och kylramen (3) tillskurits genom laserskärning .

7. ) Bipolär platta för bränslecell enligt något av kraven 1-3, kännetecknad av att öppningarna (4,5,6) i det mellanliggande metallskiktet resp. avgränsningsskikten (2) och kylramen (3) erhållits genom utstansning.

8. ) Bipolär platta för bränslecell enligt något av föregående krav, kännetecknad av att jack (9) anordnats i kantområdet till avgrånsningsskiktet (2) och/eller kylramen (3) avsedda att fungera som anslutningsjack för potentialmätning av enskilda celler via kontaktstift.

9. ) Bipolär platta enligt något av föregående krav, kännetecknad av att dessutom packningar anordnats, vilka kringärdar gastördelningsskikten (2) på vardera sidan av plattan och anligger mot de fria plåtytorna samt är försedda med öppningar, som sammanfaller med samtliga passager.

10. ) Användning av bipolär platta enligt krav 1-9 för uppbyggnad av en bränslecellstack eller elektrokemisk reaktor.