SE522666C2 - Gasfördelningselement för bränsleceller, bränslecell samt metod för att tillverka ett gasfördelningselement - Google Patents

Description

| o o o uo 522 666 2 Genom att tillhandahålla en gasfördelningsanordning enligt uppfinningen kan bränsleceller ges en kompaktare utformning, det kommer att föreligga bättre elektrisk kontakt mellan olika komponenter, katalysator och elektriska anslutningar, och gasfördelningen kommer att bli effektivare.

I en tillkommande aspekt av uppfinningen åstadkommes en bränslecell som innefattar fördelningselementet enligt uppfinningen. Bränslecellen enligt uppfinningen definieras i krav 10.

I ytterligare en annan aspekt åstadkommes en metod för tillverkning av ett gasfördelningselement, vilken defmieras i krav 12.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu att beskrivas i närmare detalj med hänvisning till ritningarna, i vilka Fig. la schematískt visar strukturen hos en polymermembranbränslecell; - Fig. lb visar de individuella komponenterna i cellen i Fig. la i närmare detalj; Fig. 2 är en schematisk vy i tvärsnitt av ett gasfördelningselement enligt uppfinningen; F ig. 3 är en schematisk vy i tvärsnitt av en annan utföringsform av ett gasfördelningselement enligt uppfinningen; Fig. 4 är en schematisk vy i tvärsnitt av ytterligare en utföringsform av ett gasfördelningselement enligt föreliggande uppfinning; Fig. 5 visar en möjlig kanalstruktur till ett gasfördelningselement enligt uppfinningen; och Fig. 6 är ett tvärsnitt genom en utföringsform av ett gasfördelningselement enligt uppfmningen. ø n Q a nu a n n annu o Q n a n ~ Q I I 0 ° I' u Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Först kommer den allmänna utformningen av en polymerbränslecell att beskrivas med hänvisning till Fig. la-b.

Sålunda, såsom visas i Fig. la och lb, innefattar en bränslecellstruktur en ledande anod (bipolär) platta 1. En anodförseglingsram 2 är anordnad intill den bipolära plattan. Denna ram är försedd med en central, rektangulär öppning för ett anodgasfördelningselement 3. Rarnen 2 är också försedd med ett anodgasinlopp 9 och ett utlopp 10, och fördelningskanaler är formade, såväl som ett vatteninlopp respektive ett vattenutlopp, ll respektive 12. Anodgasfördelningselementet 3 är försett med en uppsättning smala vattenkanaler 3a på elementets 3 motstående sida, i förhållande till anodplattan 1. Ett protonutbytesmembran 4 är arrangerat för samverkan med plattan 1, för att bilda en sandwichstruktur med ramen 2 och gasfördelningselementet 3 mellan membranet 4 och plattan 1.

Bränslecellens katodsida är strukturerad på ett sätt som liknar anodsidan. Sålunda är membranets 4 motsatta sida arrangerat för samverkan med den ledande katodplattan 7 för att bilda en sandwichstruktur med en katodförseglingsram 6 och ett katodgasfördelningselement 5 mellan membranet 4 och plattan 7.

Katodfördelningselementet 5 behöver inte vara försett med vattenkanaler såsom anodfördelningselementet 3 är, utan är företrädesvis inte försett med några sådana kanaler. Katodförseglingsramen 6 är försedd med ett katodgasinlopp 13 och ett utlopp 14.

I Fig. lb visas den detaljerade strukturen för vattenkanaler och hur vattenfördelningen organiseras i en stapel. Figurens vänstra sida visar översidan och den högra sidan i figuren visar undersidan. Såsom antyds schematiskt sträcker sig kanalerna över ytan parallellt med varandra. Emellertid är det också möjligt att anordna kanalerna i andra geometriska mönster, t.ex. såsom visas i Fig. 5, nämligen såsom en nätverksliknande struktur av kanaler 16.

Varje förseglingsram 2 i en stapel har ett antal häl orda genom sig. Hålen som är lokaliserade i hörnen är avsedda för bultar som används för sammansättning av ett antal cellenheter till en cellstapel. De återstående hålen tillsammans med motsvarande hål i andra komponenter i stapeln, bildar kanaler genom stapeln för vatten, bränslegas respektive oxiderande gas. 2 2 6 6 6 f; ' 4 Vidare har förseglingens 2 översida (såsom definierats ovan) gaskanaler 15 som löper längs den inre kanten av den ramliknande strukturen. Ett antal fördelningsöppningar (i figuren finns fem) är avgrenade från varje gaskanal 15, för att fördela inkommande gas in i fördelningsmaterialet som är lokaliserat i ramen.

Det andra hålet från vänster (i figuren) i den övre raden av hål är inloppskanalen 9 för inkommande gas och det andra hålet från vänster i den undre raden av hål är utloppskanalen 10 för gas som utträder från cellen på anodsidan. Anodförseglingen 2 har samma konfiguration av gaskanaler oavsett läget i stapeln.

På undersidan (sådan den definierats ovan) av varje försegling 2 finns anordnat kanaler för vatten, som har ett gemensamt vatteninlopp 11 och ett gemensamt vattenutlopp 12.

I mitten av stapeln finns membranet 4 arrangerat, som separerar anod- och katoddelarna i stapeln. På katodsidan finns anordnat ett katodgasfördelningsskikt , och det finns också en försegling 6 för katoden där katodgasinlopp och -utlopp 13, 14, är formade, på ett liknande sätt som i anodförseglingen 2.

I Fig. 3 visas schematiskt i tvärsnitt en grundläggande utföringsform av gasfördelningselementet 3 för bränsleceller enligt denna uppfinning.

Gasfördelningselementet 3 är plant och innefattar ett poröst, sintrat filtliknancle material, format så att det har förmåga att passas in i förseglingsramen 2, 6 (se Fig. la-b) i en anod respektive katod i en bränslecell.

I det amerikanska patentet US-6,365,092 finns beskrivet en metod för tillverkning av en formad, síntrad, porös kropp av oorganiska fibrer. Det på detta sätt producerade materialet är lämpligt för tillverkning av ett gasfördelningselement i enlighet med föreliggande uppfinning. Det amerikanska patentet US 6,365,092 införlivas häri i sin helhet genom hänvisning.

I Fig. 2 har fördelningselementet inga vattenkanaler. I ljuset av den höga porositeten hos det material som använts till fördelningselementet, kommer gas att ha förmåga att strömma utan ett alltför högt tryckfall.

I en föredragen utföringsform av uppfinningen anordnas emellertid vattenkanaler 16 i fördelningselementet, såsom visas i Fig. 3 och 4.

I Fig. 3 är vattenkanalerna 16 formade under tillverkningen i en formningsprocess.

Lämpligtvis utnyttjas en på lämpligt sätt strukturerad form med ett mönster av åsar som motsvarar det önskade kanalmönstret, varvid åsarna kommer att förorsaka fördjupningar i ytan. Företrädesvis är kanalema 50- 1000 pm breda, speciellt 50- 100 pm breda och år 100-1000 pm djupa, företrädesvis 100-300 pm djupa.

Mellanrummet mellan kanalerna över kanalmönstret kunde lârnpligtvis vara ungefär 200- 1000 pm.

Gasfördelningselementet är såsom antytts ovan tillverkat av ett material baserat på oorganiska fibrer som sintras till bildande av ett filtlilmande material. Företrädesvis används ett fibermaterial valt ur den grupp som består av stål, nickel och titan.

Fibrernas diameter kan sträcka sig från 0,5 mn upp till 25 pm, företrädesvis 2-25 pm, mest föredraget 8-22 pm, och med en längd i intervallet företrädesvis upp till 3 mm. Den uppnäbara vidden för kanalema kommer naturligtvis att bero på fibrernas diameter.

I en annan utföringsform som illustreras i Fig. 4 anordnas kanalema 16 genom att korrugera filtmaterialet 17. Metoden att tillverka en sådan struktur beskrivs i ovan angivna amerikanska patent US-6,365,092.

Den sålunda formade korrugerade strukturen sammansätts med ett filtliknande element enligt Fig. 2, till bildande av kompositstrukturen i Fig. 4. Även i detta fall har kanalerna företrädesvis ovan nämnda dimensioner.

I en alternativ utföringsform av uppfinningen kan materialet till gasfördelningselementet göras så att det har en porositetsgradient genom materialets tjocklek. En föredragen struktur är när porositeten minskar mot membranet. Ett sådant material kan tillverkas genom att placera två eller flera ark av utgångsrnaterialet med olika porositet ovanpå varandra vid tillverkningen av gasfördelningselementet. Ett material som uppvisar en sådan porositet kan också tillverkas av ett material med en homogen porositet medelst mekaniska medel, exempelvis genom att pressa materialet så att en gradient erhålles genom materialet, företrädesvis samtidigt som vattenkanaler pressas in i materialet. Andra metoder att åstadkomma kanaler är genom etsning med lämpliga etsmedel, såsom olika syror eller syrakombinationer eller genom fråsning.

Emellertid måste inte gradienten nödvändigtvis föreligga genom hela tjockleken i gasfördelningselementet. Den kan exempelvis i en tillkommen utföringsform 2 2 6 e <5 ._;; - -jái 6 uppträda endast i ett tunt parti av skiktet, företrädesvis det parti av skiktet som föreligger närmast vattenkanalerna och membranet. Detta illustreras schematiskt i Fig. 6, som är ett tvärsnitt genom ett gasfördelningselement 20 med kanaler 22 formade i sin yta. Den lägre porositeten i ytskiktet 24 närmast membranet (ej visat) och i kanalväggarna anges med tätare snittmarkering.

Under komprimeringsproceduren kommer porositeten att öka mer vid gränsytorna än i bulken i materialet och sålunda, såsom önskas, kommer det att föreligga en gradient åtminstone nära gasfördelningselementets ytor, exempelvis då man pressar vattenkanaler in i materialet. I denna process utnyttjas företrädesvis en mall som har en åsstrukturyta som motsvarar den önskade vattenkanalstrukturen.

Genom att tillhandahålla en gradient kommer det att föreligga en lägre porositet nära membranet. Detta är speciellt en fördel på anodsidan eftersom man uppnår en bättre vattenhantering och upprätthåller en direkt vattenkontakt mellan gasfördelningsskiktet och membranet. Gasfördelningsskiktets tätat sektion med lägre porositet kan hjälpa till att uppnå dessa önskade effekter.

I en tillkommen utföringsform av uppfinningen bör det föreligga ett korrosionsskyddsskikt 26 anordnat på gasfördelningselementet, närmast membranet, för att skydda mot det syraprotonledande membranet. Detta korrosionsskyddsskikt täcker också kanalväggarna där sådana kanaler är anordnade. Skiktet är företrädesvis hydrofobt och kan vara tillverkat av kol eller kolbaserat material. Även kantema på gasfördelningselementet kan behandlas så att de blir hydrofoba, för att inget vatten ska kunna komma in i den porösa bulkstrukturen.

Gasfördelningselementet enligt uppfinningen kan implementeras i ett bränslecellaggregat såsom visas i Fig. la-b utan någon modifiering av principen för dess struktur.

Modifiering och variationer av uppfinningen ligger inom kompetensen för fackmannen och uppfinningens omfång begränsas endast av de bifogade patentkraven.

Claims (13)

u u v ø ao o PATENTKRAV:

1. Gasfördelningselement till en polymermembranbränslecell, innefattande ett poröst, sintrat material, k ä n n e t e c k n a t a v att det sintrade materialet innefattar fibrer av ett oorganiskt material, företrädesvis ett material valt bland stål, nickel och titan, och av att materialet är högporöst.

2. Gasfördelningselement enligt krav 1, där fibrerna har en diameter i intervallet 0,5 - 50 pm, företrädesvis 2 - 25 pm, mest föredraget 8 - 22 pm, och en längd om upp till 3 mm.

3. Gasfördelningselement enligt krav 1 eller 2, där porositeten ligger i intervallet mer än 50 volym-%, företrädesvis mer än 90 volym-%.

4. Gasfördelningselement enligt krav 1, 2 eller 3, innefattande kanaler (3a; 16; 22) i dess yta.

5. Gasfördelningselement enligt krav 3 eller 4, där kanalerna (3a; 16; 22) är 50 - 1000 pm breda, företrädesvis 50 - 100 pm, 100 - 1000 pm djupa, företrädesvis 100 - 300 pm, och där avståndet mellan kanalerna är 200 ~ 1000 pm.

6. Gasfördelningselement enligt något av föregående krav, innefattande ett första element av ett högporöst, sintrat material, och ett andra element anordnat i en sandwichstruktur med det första elementet, vilket andra element uppvisar en korrugerad struktur (17) till bildande av kanaler (16).

7. Gasfördelningselement enligt något av kraven 1 - 6, uppvisande en porositetsgradient i åtminstone ett ytområde (24), där porositeten är lägst vid ytan. 522 666 i! ' = ~' 8

8. Gasfördelningselement enligt krav 7, där det föreligger en porositetsgradient vid elementets båda ytor.

9. Gasfördelningselement enligt något av kraven 4 - 6, uppvisande en porositetsgradient genom hela materialet, där porositeten är lägst vid kanalväggarna.

10. Enbränslecellkännetecknad av ett gasfördelningselement enligt krav 1.

11. ll. Bränslecell enligt krav 10, där varje gasfördelningselement (3; 20) omges längs sin periferi av en förseglingsram (2) med bränslegas- och vattenkanaler kopplade till gasfördelningselementets periferi.

12. En metod att tillverka ett gasfördelningselement enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att kanaler åstadkommes i ytan på gasfördelningselementet genom att pressa ett högporöst, sintrat material, som innefattar ñbrer av ett oorganiskt material, företrädesvis ett material valt bland stål, nickel och aluminium, mot en mall som uppvisar det önskade mönstret.

13. Metod enligt krav 12, innefattande det ytterligare steget att åstadkomma en porositetsgradient genom hela materialet, företrädesvis samtidigt med att vattenkanaler pressas in i materialet.