DK166747B1 - Braendselscelle og braendselscellestabel - Google Patents

Description

- 3 - DK 166747 B1

Opfindelsen angår således en brændselscelle med reduceret transportafstand for reaktantgassér gennem cellen omfattende to elektrodeplader med henholdsvis et katodeaktivt lag og et anodeaktivt lag, og mellem elektrodepladerne 5 en elektrolytmembran. Brændselscellen er ejendommelig ved -det i den kendetegnende del af krav 1 angivne.

De elektrodeaktive lag kan ved en særlig udformning af brændselscellen ifølge opfindelsen arrangeres i dellag, hvor et dellag har særlig grove porer, fortrinsvis med en 10 porediameter større end 10 mikrometer, der letter gastrans porten gennem de elektrodeaktive lag.

Elektrolytmembranen består af et eller flere lag porøst keramisk materiale, der i dets poresystem er i stand til at fastholde en elektrolyt. Membranen kan være afgræn-15 set, mod samtlige gaskanaler ved hjælp af en impermeabel kantbelægning af f.eks. gastæt keramisk eller metallisk materiale.

Brændselscellen ifølge opfindelsen er opbygget i .sandwichstruktur med: 20 - en anodeplade - en elektrolytmembran - en katodeplade, der direkte er stablet på hinanden uden mellemliggende strukturer eller kanaler til fordeling af reaktantgasserne 25 i cellen.

Ved at udelade disse strukturer eller kanaler opnås, at de keramiske dele i cellen er understøttet jævnt over det hele i modsætning til den kendte teknik, hvor metalstrukturerne for gasfremføringen kun støtter de kera-30 miske dele på enkelte delflader. Herved undgås endvidere problemer med forskellige termiske udvidelser i metalliske og keramiske dele.

Brændselscellen ifølge opfindelsen er således mere stabil, dvs. lettere at transportere, samt mere tolerant 35 overfor gastrykdifferencer. Herudover har en brændselscelle bestående af flere brændselscelleelementer ifølge opfindelsen tillige den fordel, at udgangsrørsystemer for gasser - 4 - DK 166747 B1 meget lettere kan udformes uden risiko for kortslutning af cellen via gasforbindelsessystemet. Brændselscellen kan fremstilles i dimensioner og til strømstyrker, der ikke længere er begrænset af de lokale gasstrømningsforhold i 5 hver enkelt celleelement.

- ^ Flere brændselsceller ifølge opfindelsen kan med »·^ fordel stables til en brændselscellestabel med gasindgangs-og udgangskanaler lodret igennem stablen og en elektrisk ledende, gastæt barriere imellem hver enkelt celle. Den 10 gastætte barriere kan passende være udformet som metallisk folie eller et påført metallisk lag på elektrodepladerne.

Ved at udforme en brændselscelle efter ovenstående retningslinier kan byggehøjden for en brændselscellestabel reduceres til 1-2 mm per enkelt celle, hvilket er 5 til 10 15 gange mindre end det hidtil kendte.

Opfindelsen beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningerne hvor,

Fig. 1 & 2 viser elektrodeplader, der henholdsvis udgør anodepladen og katodepladen i en brændselscelle, 20 ifølge en specific udførelsesform for opfindelsen.

Fig 3 & 4 perspektivisk viser et udsnit af en brændselscelle henholdsvis en brændselscellestabel, sat sammen af flere brændselsceller ifølge opfindelsen.

Fig. 1 & 2 viser i udsnit et planbillede af en 25 anodeplade 20, henholdsvis en katodeplade 40 delt op i et antal parallelle delområder 1, 2, 3 ...., hver forsynet med gasindgangskanaler 20i og 40i for henholdsvis en anode reaktantgas og en katode reaktantgas, samt afgangskanaler 20e og 40e for henholdsvis anodeafgangsgas og katodeaf-30 gangsgas.

Gaskanalerne i anodepladen 20 (Fig. 1) er endvidere fordelt således, at hver andet delområde 1, 3, 5 .... er forsynet med skiftevis en indgangskanal 20i og en udgangskanal 20e for anode reaktantgas, og et mellemliggende 35 anodeaktivt lag 20a. Rækkefølgen for indgangs- og udgangskanalerne 20i, 20e, 20i, ----, skifter i hver af delom- - 5 - DK 166747 B1 råderne 1, 3, 5 .således at en indgangskanal 20i i delområde 1, svarer til en udgangskanal 20e‘i delområde 3, og til en indgangskanal 20i i delområde 5, o.s.v.

Indgangskanalerne 40i og udgangskanalerne 40e for 5 henholdsvis katode reaktantgassen og katode afgangsgassen rer.· etableret i de mellemliggende delområder 2, 4, ...., og er afgrænset mod det kanalerne 40i, 40e omgivende anodeaktive lag 20a ved gastætte kantstriber 22. Kanalernes 40i og 40e placering er mellem kanalerne i de hosliggende delom-10 råder. Indgangskanalernes 40i og udgangskanalernes 40e rækkefølge skifter i hver af områderne 2, 4, ...., således at en katodegas udgangskanal 40e ligger mellem en anodere-aktantgas indgangskanal 20i og en anodegas udgangskanal 20e i det foregående og tilstødende delområde l, 3, 5, .... og 15 en katodereaktantgas indgangskanal 40i ligger mellem en anodegas udgangskanal 20e og en anodereaktantgas indgangskanal 20i i delområde 1, 3, 5.....

Katodepladen 40, som vist i Fig. 2, er i princippet udformet ligesom anodeplade 20 (Fig. l), blot er indgangs-20 kanalerne 20i for anode reaktantgassen og udgangskanalerne 20e for anodeafgangsgassen i katodepladen 40 afgrænset mod det omgivende katodeaktive lag 40a ved gastætte kantstriber 22.

Fig. 3 viser perspektivisk et udsnit af en brænd-25 selscelle ifølge en udførelsesform for opfindelsen beståen de af en anodeplade 20, en katodeplade 40 og en mellemliggende elektrolytmembran 30. Som antydet i figuren strømmer anodereaktantgas 25, der forlader en anodeindgangskanal 20i gennem et anodelag 20a, der på to sider er afgrænset af 30 en gastæt kantstribe 22. Efter at have gennemstrømmet anodelaget 20a bortledes omsat anodegas 26 via anodegasud-gangskanalen 20e. På tilsvarende måde strømmer katodereaktantgas 45 i katodepladen 40 gennem katodelaget 40a og bortledes som katodeafgangsgas 46 via en katodeudgangskanal 35 40e. Katodelaget 40a er ligesom anodelaget 20a afgrænset mod anodeindgangs- og udgangskanalerne 20i, 20e af gastætte kantstriber 22.

- 6 - DK 166747 B1 I den mellemliggende elektrolytmembran 30 er samtlige gaskanaler 20i, 20e, 40i, 40e gennem membranen afgrænset ved gastætte kantstriber 22.

Et større antal brændselsceller, der er vist i 5 udsnit i Fig. 3, kan med fordel stables til en brændsels- - cellestabel, der vises i Fig. 4. Den her viste brændselscellestabel 100 har to gasfordelingsblokke 50 og 51, ved hvilke stablen forsynes med henholdvis katode- og anodere-aktantgas 45 og 25. Gasfordelingsblokkene 50 og 51 er 10 opdelt i delområder på tilsvarende måde som anode- og katodepladerne 20 og 40 med skiftevis indgangs- og udgangskanaler 20i, 20e, og 40i, 40e for anodegas 25, 26 og katodegas 45, 46.

Stablen 100 består endvidere af 4 brændselsceller 15 samlet i en stabel 70, hver sammensat af en anodeplade 20 og katodeplade 40 med en mellemliggende elektrolytmembran 30 og udformet som beskrevet ovenfor. Mellem hver enkelt celle findes en elektrisk ledende folie 32.

Elektrisk strøm, der produceres i cellerne ved 20 elektrokemisk omsætning af reaktant gasserne 25 og 45, opsamles i strømkollektor pladerne 60 på hver side af cellestablen 70.

Ved at forsyne hver enkelt anode 20 og katodeplade 40 samt de mellemliggende elektrolytmembraner 30 og de 25 elektrisk ledende folier 32 med det ovenfor beskrevne mønster af standsede huller eller kanaler, der løber på tværs af de stablede celler 70 og kollektorpladerne 60 tilvejebringes rørformede kanaler lodret igennem stablen 100, ved hvilke cellerne forsynes med de respektive reak-30 tantgasser 25 og 45.

Claims (9)

1. Brændselscelle med reduceret transportafstand for reaktantgasser gennem cellen, omfattende to elektrodeplader 5 (20, 40) med henholdsvis et anodeaktivt lag (20a) og et fkatodeaktivt lag (40a), og mellem elektrodepladerne en elektrolytmembran (30), kendetegnet ved, at elektrodepladerne (20, 40) samt elektrolytmembranen (30) hver er opdelt i parallelle delområder (1, 2, 3, 4, 5, ----), hvor i hvert 10 delområde (1, 3, 5, ....) skiftevis og gennem pladerne (20, 40. og membranen (30) er anbragt mindst en indgangskanal (20i) og mindst én udgangskanal (20e) for anode reaktantgas, samt i hvert af de mellemliggende delområder (2, 4, ....) skiftevis og gennem pladerne (20, 40) og membranen 15 (30) mindst én indgangskanal (40i) og mindst én udgangs kanal (40e) for katode reaktantgas, idet indgangskanalerne (40i) og udgangskanalerne (40e) gennem anodepladen (20) er afgrænset mod det anodeaktive lag (20a) på pladen (20), og indgangskanalerne (20i) og udgangskanalerne (20e) gennem 20 katodepladen (40) er afgrænset mod det katodeaktive lag (40a) på katodepladen (40) ved gastætte kantstriber (22).

2. Brændselscelle ifølge krav 1, kendetegnet ved, at rækkefølgen af indgangs- og udgangskanalerne (20i, 20e) skifter i hvert af delområderne (1, 3, 5, ....) og række- 25 følgen af indgangs- og udgangskanalerne (40i, 40e) skifter i hvert af delområderne (2, 4, ....)·

3. Brændselscelle ifølge krav 1 og 2, kendetegnet ved, at udgangskanalerne (40e) i de mellemliggende delområder (2, 4, ....) er etableret mellem indgangs- og udgangskana- 30 lerne (20i, 20e) i de foregående delområder (1, 3, 5, ...,) og indgangskanalerne (40i) i de mellemliggende delområder (2, 4, ..) er etableret mellem udgangs- og indgangskanalerne (20e, 20i) i de foregående delområder (1, 3, 5, ....)· - 8 - DK 166747 B1

4. Brændselscelle ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det katodeaktive lag (40a) og anodeaktive lag (20a) er sammesat af flere dellag, hvor i det mindste et dellag er grovporøst, fortrinsvis med en porediameter større end 5 10 μ.

-=5.^ Brændselscelle ifølge krav 1, kendetegnet ved, at elektrolytmembranen (30) består af ét eller flere lag porøst materiale.

6. Brændselscelle ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 10 samtlige kanaler (20i, 20e, 40i, 40e) gennem elektrolytmem branen (30) er afgrænset mod membranen ved gastætte kantstriber (22).

7. Brændselscellestabel bestående af i det mindste to brændselsceller (70) med en gastæt elektrisk ledende barri- 15 ere (32) mellem hver brændselscelle, kendetegnet ved, at brændselscellerne. (70) er udformet som beskrevet i et hvilket som helst af de foregående krav og barrieren (32) er forsynet med indgangs- og udgangskanaler (20i, 40i, 20e, 40e) gennem barrieren, således at disse kanaler korrespon-20 derer med tilsvarende kanaler i brændselscellerne (70).

8. Brændselscellestabel ifølge krav 7, kendetegnet ved, at barrieren (32) har form af en metallisk folie.

9. Brændselscellestabel ifølge krav 7, kendetegnet ved, at barrieren (32) er anbragt som metallisk lag på 25 overfladen af anodepladerne (20) og katodepladerne (40).