NL1002960C2

NL1002960C2 - Geribde elektroden voor gesmolten carbonaatbrandstofcellen.

Info

Publication number: NL1002960C2
Application number: NL1002960A
Authority: NL
Inventors: Estela Tan Ong; Nellie Burton-Gorman
Original assignee: Inst Gas Technology
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 1999-02-22
Also published as: JPH0922705A; US5531956A; NL1002960A1

Description

Korte aanduiding: Geribde elektroden voor gesmolten carbonaatbrand-stofcellen.

Deze uitvinding heeft betrekking op een werkwijze 5 voor het vervaardigen van een brandstofcel elektrode die een aantal verhoogde structuren op een vlak van de elektrode heeft, en die een noodzaak van gegolfde brandstofcelscheidingsplaten elimineert.

Gegolfde brandstofcelscheidingsplaten worden in gesmolten carbonaatbrandstofcelstapels gebruikt om een kathode van een 10 brandstofcel te scheiden van een anode van een naburige brandstofcel, en om te voorzien in gasverdelingskanalen. Dergelijke gasverdelings-kanalen staan het gasvormige brandstof toe contact te maken met een anode die tegen een vlak van de scheidingsplaat is gepositioneerd, en staan het gasvormig oxydatiemiddel toe om contact te maken met 15 een kathode die is gepositioneerd tegen een tegengesteld vlak van de scheidingsplaat. Gegolfde scheidingsplaten zijn complexe en dure structuren, in het bijzonder in vergelijking met vlakke, niet-gegolfde scheidingsplaten. Omdat brandstofcel stapels bij benadering 600 aparte brandstofcellen kunnen omvatten en dus 600 complexe en dure gegolfde 20 scheidingsplaten kunnen vereisen, kunnen de totale kosten van dergelijke brandstofcel stapels aanzienlijk worden verlaagd indien platte scheidingsplaten in plaats van gegolfde scheidingsplaten kunnen worden gebruikt.

Amerikaans octrooi schrift 5 139 896 beschrijft een 25 geheel keramische gesmolten carbonaatbrandstofcel die een samenstelling heeft, die is gevormd van polyvalent metaaloxyde of oxygenaat zoals een al kalimetaal, overgangsmetaaloxygenaat. De structuur is voorzien van een anode en kathode die zijn gescheiden door een elektronisch geleidend verbindingsstuk. De kathode-, scheidings-, anode-30 component is voorzien van gaskanalen die zijn gegoten in de poreuze elektroden voor verdeling van de brandstofcelgassen tussen de elektroden en de scheidingsplaat. Deze 1iteratuurplaats beschrijft echter geen werkwijze voor het vervaardigen van dergelijke gaskanalen.

Japanse octrooiaanvrage 60-185 367 beschrijft een 35 afdichting voor een brandstofcel die tot stand wordt gebracht door warm persen van twee fluorocaïne films, die verschi11ende smeltpunten *1 00296 0 2 hebben, op een temperatuur tussen de twee smeltpunten, waarbij de film met het laagste smeltpunt in contact met de cel is.

Amerikaans octrooi schrift 5 227 256 beschrijft een volledig interne verdeelde brandstofcellenstapel die een gegolfde 5 scheidingsplaat gebruikt om naburige brandstofcellen te scheiden.

Amerikaans octrooi schrift 5 175 062 beschrijft een reformeereenheidssamenstel voor het reformeren van koolwaterstofbrand-stof voor een gesmolten carbonaatbrandstofcel van een brandstofcellenstapel, waarin de reformeereenheid een behuizing omvat en een inte-10 gratie-eenheid voor het integreren van de behuizing met de naburige brandstofcellen in de stapels.

Het is duidelijk dat er een behoefte bestaat aan een werkwijze voor het vervaardigen van brandstofcelelektroden, die brandstofcelgasverdeling over het vlak van de elektrode bereikt, en 15 die de noodzaak aan dure en complexe gegolfde scheidingsplaten elimineert .

Het is een doel van deze uitvinding om te voorzien in een werkwijze voor het vervaardigen van een elektrode voor een brandstofcel die een noodzaak aan gegolfde of anderzijds van kanalen 20 voorziene brandstofcelscheidingsplaten in een brandstofcel elimineert.

Het is een ander doel van deze uitvinding om te voorzien in een werkwijze voor het vervaardigen van een elektrode voor een brandstofcel die de kosten van het produceren van een brandstofcel reduceert.

25 Deze en andere doelen zijn in overeenstemming met een voorkeursuitvoeringsvorm van deze uitvinding bereikt door een werkwijze voor het vervaardigen van een elektrode voor een brandstofcel die het aanbrengen van een suspensie die ten minste één poedervormig metaal bevat op een vlak van een in hoofdzaak plat poreus elek-30 trodemetaalsubstraat omvat, waarbij een aantal verhoogde structuren op het vlak van de elektrode wordt gevormd. Het poreuze elektrodemetaal-substraat met de verhoogde structuren wordt dan gesinterd om het eindprodukt te vormen. In een samengestelde brandstofcel brengen dergelijke verhoogde structuren een aantal kanaal vormige lege ruimten tussen 35 de elektrode en een platte scheidingsplaat voort, waardoor efficiënte brandstofcelgasverdeling wordt toegestaan en de noodzaak van een P1 00296 0 3 complexe en dure scheidingsplaat van het type dat vaak wordt gebruikt in conventionele brandstofcellen wordt geëlimineerd.

In overeenstemming met een uitvoeringsvorm van de werkwijze van deze uitvinding wordt het elektrodesubstraat door een 5 aantal continue vloeiende stromen van de poedervormige metaal suspensie gevoerd, waarbij een aantal geribde structuren op het vlak van het elektrodesubstraat wordt gevormd.

In overeenstemming met een andere uitvoeringsvorm van deze uitvinding wordt het elektrodesubstraat door een aantal 10 discontinue stromen van de poedervormige metaal suspensie gevoerd, waarbij een aantal discontinue dopachtige structuren op het oppervlak van het elektrodesubstraat wordt gevormd.

In overeenstemming met een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt een geperforeerde plaat op een vlak van het 15 elektrodesubstraat gepositioneerd en worden de perforaties gevuld met de poedervormige metaal suspensie. De geperforeerde plaat wordt na een geschikte opbouwtijd van het elektrodesubstraat verwijderd, waarbij een aantal heuvels op het vlak van het elektrodesubstraat wordt achtergelaten.

20 In overeenstemming met nog een andere uitvoerings vorm van deze uitvinding wordt de poedervormige metaalsuspensie geëxtrudeerd om een aantal langwerpige structuren te vormen, dat wordt bevestigd aan een vlak van het elektrodemetaalsubstraat. De geëxtru-deerde structuren worden bij voorkeur met een verbindingssuspensie aan 25 het elektrodemetaalsubstrat bevestigd.

In overeenstemming met een de voorkeur hebbende uitvoeringsvorm van deze uitvinding wordt de poedervormige metaalsuspensie op een in hoofdzaak platte elektrodesubstraat aangebracht om een aantal verhoogde structuren op een vlak van het elektrodesubstraat 30 te vormen. Aanbrenging van de poedervormige metaalsuspensie op het platte elektrodesubstraat wordt bereikt door het platte elektrodesubstraat horizontaal onder een aantal vloeiende stromen van de poedervormige metaalsuspensie te voeren, waardoor continue verhoogde structuren worden gevormd, die zich in hoofdzaak over het vlak van het 35 platte elektrodesubstraat uitstrekken, en gasverdelingskanalen tussen de verhoogde structuren worden gevormd.

*1 00296 0 4

Geribde elektroden voor een brandstofcel worden in overeenstemming met de werkwijze van deze uitvinding vervaardigd door een poedervormige metaalsuspensie op een vlak van een plat, van tevoren gedroogd, poreus metalen elektrodesubstraat te plaatsen, welke 5 verhoogde structuren zich uitstrekken om contact te maken met een platte scheidingsplaat die tussen brandstofcel eenheden van een brandstofcellenstapel is angebracht, waardoor wordt voorzien in een lege ruimte tussen de scheidingspl aat en het elektrodesubstraat die de verdeling van brandstofcelgassen (brandstof en oxydatiemiddel) over de 10 scheidingsplaat en elektrode-oppervlakken mogelijk maakt. De poedervormige metaalsuspensie omvat bij voorkeur een metaal, dat gelijksoortig is aan, of hetzelfde is als het metaal van het elektrodesubstraat, dat in een vloeibaar bestanddeel met variabele viscositeit is gesuspendeerd .

15 In overeenstemming met een uitvoeringsvorm van deze uitvinding wordt een houder, die een aantal doorlopende boringen heeft, gevuld met de poedervormige metaalsuspensie en over het elektrodesubstraat geleid om een aantal ribben op het elektrodesubstraat te vormen.

20 In overeenstemming met een andere uitvoeringsvorm wordt het elektrodesubstraat door een aantal stromen van poedervormige metaalsuspensie gevoerd, dat vanuit een relatief of in het geheel niet-bewegende houder stroomt. De houder en het elektrodesubstraat kunnen lineair met betrekking tot elkaar bewegen om in het algemeen 25 rechtlijnige ribben op het elektrodesubstraat te vormen. Alternatief kunnen de houder en het elektrodesubstraat niet-lineair met betrekking tot elkaar bewegen, waardoor een gegolfd, cirkelvormig of welk gewenst ribbenpatroon dan ook op het elektrodesubstraat wordt gevormd.

In overeenstemming met een uitvoeringsvorm van de 30 werkwijze van deze uitvinding kunnen de doorlopende boringen van de houder worden geopend en gesloten en kunnen deze aldus continue ribvormige patronen of discontinue dopachtige structuren op het elektrodesubstraatvlak tot stand brengen. Aldus kan een ruime verscheidenheid aan ribpatronen, -grootten en -vormen worden vervaardigd 35 door het variëren van de stromingskarakteristieken van de poedervormige metaalsuspensie, de grootte van de gaten in de houder, het 10029.6 0 5 bewegingspatroon van de houder of het elektrodesubstraat, en de beweg ingssnelheid.

In overeenstemming met een andere voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze van deze uitvinding wordt een geperforeerde 5 plaat of dito sjabloon op het vlak van het elektrodesubstraat gepositioneerd, en worden de perforaties met de poedervormige metaal suspensie gevuld. Na een geschikte opbouwtijd, wordt de geperforeerde plaat van het vlak van het elektrodesubstraat opgelicht, waarbij een aantal verhoogde heuvels op het elektrodesubstraat wordt achtergelaten. Het 10 is duidelijk dat een plaat kan worden geconstrueerd om perforaties met welke gewenste vorm en welk gewenst patroon dan ook te hebben, en dienovereenkomstig kunnen de heuvels op het elektrodesubstraat welke gewenste vorm en welk gewenst patroon dan ook hebben.

Om de hoogte van de verhoogde heuvels te regelen, 15 kan de dikte van de geperforeerde plaat worden gevarieerd. In overeenstemming met een voorkeursuitvoeringsvorm van deze uitvinding heeft de geperforeerde plaat een geschikte uniforme dikte om te voorzien in heuvels die een hoogte van ongeveer 20 - 300 mils hebben.

In overeenstemming met nog een andere uitvoerings-20 vorm van de werkwijze van deze uitvinding wordt een verdikt mengsel van de poedervormige metaal suspensie geëxtrudeerd om lange, dunne en pletbare stroken elektrodemateriaal te vormen. Deze geëxtrudeerde structuren kunnen welke geschikte doorsnede dan ook hebben. De ge-extrudeerde structuren worden op het vlak van het elektrodesubstraat 25 bevestigd met een verbindingssuspensie of een ander geschikt middel dat bekend is aan vaklui op dit gebied van de techniek.

Het de verhoogde structuren bevattende elekrodesub-straat wordt dan bij voorkeur gesinterd om de binding van de verhoogde structuren met het vlak van het elektrodesubstraat te doen toenemen en 30 de totale elektrode te versterken.

Voorbeeld I

Een geribde kathode werd geconstrueerd door evenwijdige stromen van in een vloeistof gesuspendeerd kathodemateriaal aan te brengen over een platte, van tevoren gedroogde kathode. De 35 geribde structuren hechtten na drogen goed aan de kathode. De samenstelling van de metaalpoedersuspensie was als volgt: »»1002960 6

Carbonyl nikkel 352 g

Methocel 400 12 g

Gedei'oniseerd water 315 g

Tributylfosfaa t 5,5 g 5 Ethyleenglycol 5,5 g

Propanol 85 g TOTAAL GEWICHT 775 g

De metaalpoedersuspensie werd vervaardigd door het combineren en gedurende 20 minuten met een roerder mengen van alle 10 ingrediënten behalve carbonylnikkel. Het carbonyl nikkel werd toen langzaam aan het mengsel toegevoegd en gedurende 40 minuten met hoge snelheid onder gebruikmaking van een roerder gemengd. (Voorafgaand aan het aanbrengen van de metaalpoedersuspensie op een elektrodesubstraat dient de metaalpoedersuspensie gedurende 10 minuten opnieuw te worden 15 gemengd.)

Voorbeeld II

Een geribde elektrode in overeenstemming met een andere uitvoeringsvorm van het proces van deze uitvinding werd geconstrueerd door een aantal langwerpige, geëxtrudeerde stroken kathode-20 metaal op een vlak van een platte, van tevoren gedroogde kathode in een evenwijdig patroon met een dunne, verdunde suspensie van kathode-verbindingsmateriaal te bevestigen. Een gelijksoortig geëxtrudeerd strookmateriaal werd eveneens met de verbindingsuspensie rondom het omtreksgedeelte van het kathodevlak bevestigd om een omtreksafdichting 25 tussen de kathode en de naburige platte scheidingsplaat van een brandstofcellenstapel tot stand te brengen en aldus gaslekkage te voorkomen.

De samenstelling van de metaalpoederextrusieverbin- ding was als volgt: 30 Carbonyl nikkel 351 g

Methocel 400 12,15 g

Gedeïoniseerd water 230,85 g

Tri butyl fosfaat 26 g

Ethyleenglycol 9 g 35 TOTAAL GEWICHT 629 g p1 0 0296 0 7

De metaalpoederextrusieverbinding werd bereid door het combineren en met de hand roeren van de ingrediënten. De verbinding werd toen in een plastic zak geplaatst en met de hand gekneed tot een gladde vastheid. (De verbinding dient in een stevig afgedichte 5 houder te worden opgeslagen totdat zij wordt geëxtrudeerd.)

De samenstelling van de gebruikte metaalpoeder-verbindingssuspensie was als volgt:

Carbonyl nikkel 50 g CB-131 50 g 10 (in de handel verkrijg baar bindmiddel voor bandgieten)

Methyleenchloride 20 g TOTAAL GEWICHT 120 g 15 De verbindingssuspensie werd bereid door het combi neren en gedurende 10 minuten met een roerder mengen van de ingrediënten. De verbindingssuspensie werd dan aangebracht waar nodig voor verbinding van het geëxtrudeerde strookmateriaal.

Een in overeenstemming met Voorbeeld II vervaardig-20 de geribde kathode werd eerst gesinterd en toen in een gesmolten carbonaatbrandstofcel op werkbankschaal getest. De brandstofcel omvatte een actieve elektrolytmatrixband, en een Ni+Cr-anode. Het aan het omtreksgedeelte van het kathodevlak bevestigde geëxtrudeerde strookmateriaal vormde een afdichting tussen de kathode en de naburige 25 platte scheidingsplaat. De openschakelingsspanning van de cel was 1 027 mV bij een brandstofsaménstelling van 60 H2/20 C02/20 H20 en een oxydatiemiddel van 30 C02/70 lucht bevochtigd op kamertemperatuur. De natte afdichtingsefficiëntie voor de kathode was 93%. De celweerstand was zeer hoog, bij benadering 17 ohm, zodat de brandstofcel niet boven 30 60 mA/cmz werd belast. De cel werd na 310 uur afgesloten op 650 V.

Nadat de brandstofcel was gedemonteerd, bleef de integriteit van de kathode hoog. De kathode bleef plat en de ribben vervormden niet en waren ook niet significant afgeplat. De geëxtrudeerde stroken op het omtreksgedeelte van het kathodevlak bleken aan 35 het kathodevlak bevestigd, waarbij werd vastgesteld dat een sterke binding bestond tussen de geëxtrudeerde stroken en de kathode. Of- pi 0 029 6 0 8 schoon de cel elektrochemisch gezien niet goed presteerde, was de oorzaak niet het gevolg van een onjuiste fabricage van de geribde elektrode.

Hoewel in de voorafgaande beschrijving deze uit-5 vinding is toegelicht met betrekking tot zekere voorkeursuitvoeringsvormen daarvan, en vele details met het doel van illustratie zijn uiteen gezet, zal het voor vaklui op dit gebied van de techniek duidelijk zijn, dat de uitvinding aanvullende uitvoeringsvormen omvat en dat zekere van de hierin beschreven details aanzienlijk kunnen worden 10 gevarieerd zonder de basisprincipes van de uitvinding te verlaten.

t»10 029 0 0

Claims

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een elektrode voor een brandstofcel, omvattende de stappen van het voeren van een in 5 hoofdzaak plat poreus elektrodemetaalsubstraat door een aantal vloeiende stromen van een ten minste één poedervormig elektrodemetaal bevattende suspensie, waarbij een aantal verhoogde structuren van de suspensie op een vlak van het poreuze elektrodemetaalsubstraat wordt gevormd, en het sinteren van het poreuze elektrodemetaalsubstraat.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het ten minste ene poedervormige elektrodemetaal overeenkomt met het elektrodemetaal van het poreuze elektrodemetaalsubstraat.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het aantal verhoogde structuren een aantal geribde 15 structuren omvat.

4. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het aantal verhoogde structuren een aantal heuvels omvat.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat een geperforeerde plaat op het vlak van het poreuze elektrodemetaal- 20 substraat wordt gepositioneerd, de perforaties van de geperforeerde plaat met de suspensie worden gevuld, en na een geschikte opbouwtijd de geperforeerde plaat van het vlak van het poreuze elektrodemetaal-substraat wordt verwijderd, waarbij het aantal heuvels op het vlak van het poreuze elektrodemetaalsubstraat wordt achtergelaten.

6. Werkwijze volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de hoogte van het aantal verhoogde structuren ligt in het traject van ongeveer 20 mils tot en met ongeveer 300 mils. 30 Eindhoven, januari 1999 p1 0 0296 0