NL9400430A - Brandstofcel en aanvullende elektrolythouder en werkwijze voor het aanvullen van de brandstofcel met elektrolyt. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Brandstofcel en aanvullende elektrolyt- houder en werkwijze voor het aanvullen van de brandstofcel met elektrolyt.

De onderhavige uitvinding heeft in de eerste plaats betrekking op een brandstofcel, omvattende een elektrolyt-element dat geïmpregneerd is met een elektrolyt, een elektrodenpaar waartussen het elektrolytelement is opgesteld en separatoren, waarbij elk daarvan geplaatst is tegenover één van de elektroden aan de zijde daarvan die afgewend is van het elektrolytelement.

Wanneer brandstofcellen doorlopend in werking moeten zijn, is het gewenst dat ze in staat zijn om gedurende veertigduizend uur in werking te zijn. Echter, het elektrolyt dat ingesloten is in een elektrolytelement van een brandstofcel neemt geleidelijk af gedurende de lange werkingstijd van de cel als gevolg van zijn verdamping en corrosie van cel-delen met het elektrolyt. Dit resulteert in een toename van inwendige weerstand, waardoor de celspanning verlaagd wordt. Daarom moet, wanneer de cel gedurende een lange tijdsperiode in werking is, het elektrolytelement regelmatig aangevuld worden met vers elektrolyt. Deze aanvulling wordt gebruikelijk bewerkstelligd door toevoer vanuit een elektrolytopslag buiten de cel. Bij deze werkwijze moet echter een voorziening met een buizensysteem, die noodzakelijk is voor de aanvulling, buiten de brandstofcel geïnstalleerd worden en daarbij moeten het buizensysteem en andere uitrustingen gemaakt zijn van materialen die bestendig zijn tegen de corrosie door het elektrolyt, hetgeen problematisch is in levensduur en kosten. Een oplossing voor deze problemen is beschreven in het Japanse octrooi KOKAI (ter inzage gelegd) Nr. 60-208058. Deze oplossing gebruikt een werkwijze die bestaat uit het vullen van een elektrolyt-vasthoudende matrix in een deel van een gasstroompad, dat voorzien is tegenover een elektrode aan de zijde daarvan die afgewend is van een met elektrolyt geïmpregneerd element dat geplaatst is tussen de ene elektrode en de andere, en het het elektrolyt mogelijk te maken om doorlopend vanuit de matrix aan het elektrolytelement toegevoerd te worden, dankzij capillaire verschijnselen. Het Japanse octrooi KOKAI (ter inzage gelegd) Nr. 58-155668 beschrijft een werkwijze die bestaat uit het verschaffen van kanalen voor het opslaan van een elektrolyt bij de randge-deelten van een separator, het opslaan van een elektrolyt in de kanalen en het toevoeren van het elektrolyt gedurende de werkingstijd van de cel.

Het elektrolyt dat geïmpregneerd is in het elektrolytelement van de brandstofcel is in een gesmolten toestand en is sterk corrosief bij de werkingstemperatuur van de cel. Met betrekking tot dit punt zijn de bekende werkwijzen, zoals bovenstaand beschreven, ontoereikend wat betreft het hoofd bieden aan corrosie van de elektrolytopslag. Dat wil zeggen dat het opgeslagen aanvullende elektrolyt in de gesmolten toestand is bij de werkingstemperatuur van de brandstofcel, zodat de materialen die de elektrolytopslag vormen, geleidelijk corroderen wanneer de cel in werking is. Het gebruik van een corrosie-bestendige uitrusting kan overwogen worden om te voorkomen dat de elektrolytopslag corrodeert, maar dit zou ongewenst zijn uit het oogpunt van kosten. Zoals bovenstaand zijn de bekende werkwijzen ontoereikend in het het hoofd bieden aan corrosie van de elektrolytopslag en brengen problemen met betrekking tot de levensduur en betrouwbaarheid van de cellen met zich mee.

Een doel van de onderhavige uitvinding is om te voorzien in een brandstofcel met een hoge betrouwbaarheid en een langere levensduur.

Om bovenenoemd doel te bereiken wordt de bovenaangegeven brandstofcel volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat in de separatoren kanalen gevormd zijn, waardoor een reactiegas passeert naar de aanliggende elektrode, waarbij een groot aantal afgesloten houders voor aanvullend elektrolyt, die gemaakt zijn van een materiaal dat bij verhoogde temperaturen oplosbaar is in het elektrolyt en die gevuld zijn met elektrolyt, verspreid geplaatst is binnen de brandstofcel.

De afgesloten oplosbare houders die gevuld zijn -ïiet een elektrolyt en opgenomen binnen een brandstofcel worden opgelost vanaf de binnenwand ervan door het erin aanwezige elektrolyt dat gesmolten is bij de werkingstemperatuur van de cel.

In het bijzonder is de brandstofcel van het gesmolten carbonaattype of het fosforzuurtype.

Daar in het elektrolytelement gedeelten gevormd kunnen worden waar het geïmpregneerde elektrolyt meer afneemt en gedeelten gevormd kunnen worden waar het elektrolyt minder afneemt, is het doelmatig dat het materiaal van de houder, dat oplosbaar is in het elektrolyt, afhankelijk van de plaats waar de houder is geplaatst binnen de brandstofcel, een verschillende oplosbaarheid heeft.

Voorkeursmaterialen worden gegeven in de conclusies 4-6.

In een doelmatige uitvoeringsvorm zijn geperforeerde golfplaten voor het verschaffen van gasstroompaden geplaatst aan beide hoofdoppervlakken van de separator en waarbij de afgesloten houders voor aanvullend elektrolyt verspreid geplaatst zijn in de kanalen waarin geen reactiegas passeert.

Het oplossen van de houders maakt het mogelijk dat het gesmolten elektrolyt toegevoerd wordt door de openingen van geperforeerde golfplaten in de elektrolytelementen, zodat het aanvullende elektrolyt onmiddellijk wordt toegevoerd aan de elektrolytelementen, waardoor minder corrosie veroorzaakt wordt in de celuitrusting. Dat wil zeggen dat in de werkwijze volgens de stand van de techniek voor de toevoer van aanvullend elektrolyt, het elektrolyt altijd in aanraking is met de celuitrusting en steeds de elektroden vult zodat het elektrolyt minder geabsorbeerd wordt in de elektroden, terwijl in de onderhavige uitvinding het aanvullende elektrolyt toegevoerd wordt wanneer het elektrolyt dat door impregneren is opgenomen in het elektrolytelement ontoereikend wordt, zodat het toegevoerde elektrolyt onmiddellijk geabsorbeerd wordt door de elektroden om een directe aanvulling met elektrolyt te verkrijgen. Daardoor worden de frequentie en de tijdsduur van de aanraking tussen de celuitrusting en het elektrolyt verminderd, waardoor minder corrosie van de celuitrusting veroorzaakt wordt.

In een volgende uitvoeringsvorm zijn een groot aantal holten voorzien in het randgedeelte van de separator en waarbij de afgesloten houders voor aanvullend elektrolyt geplaatst zijn in de holten.

In het bijzonder zijn de holten elk bedekt met een dunne laag. Aldus worden de oplosbare houders voor aanvullend elektrolyt en de dunne laag opgelost in het gesmolten elektrolyt bij de celwerkingstemperatuur en wordt aanvullend elektrolyt toegevoerd aan het elektrolytelement.

De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op een afgesloten houder voor aanvullend elektrolyt om geplaatst te worden binnen een brandstofcel zoals bovenstaand beschreven. Een dergelijke houder is gemaakt van een materiaal dat bij verhoogde temperatuur oplosbaar is in het elektrolyt en gevuld is met het elektrolyt.

Voordeelsuitvoeringsvorraen van bovengenoemde houder worden gegeven in de conclusies 11-14.

Tenslotte heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt. Deze werkwijze wordt gekenmerkt doordat de werkwijze omvat het plaatsen van tenminste één van de afgesloten houders voor aanvullend elektrolyt, die gemaakt zijn van een materiaal dat bij verhoogde temperaturen oplosbaar is in het elektrolyt en gevuld zijn met het elektrolyt, binnen de brandstofcel, en het toevoeren van het aanvullende elektrolyt vanuit de opgeloste houders aan de brandstofcel gedurende het in werking zijn van de cel.

Voorkeursuitvoeringsvormen van de werkwijze worden gegeven in de conclusies 15-23.

De onderhavige uitvinding wordt verder beschreven met verwijzing naar de voorbeelden van de bijgevoegde tekeningen.

Figuur 1 toont een uiteengenomen opstelling van bestanddelen van een uitvoeringsvorm van de brandstofcel volgens de onderhavige uitvinding.

Figuur 2 is een schematisch doorsnede-aanzicht van een afgesloten houder die aanvullend elektrolyt omvat.

Figuur 3 is een schematisch aanzicht van afgesloten houders voor de toevoer van aanvullend elektrolyt, die één van de manieren toont van hoe de houders geplaatst kunnen zijn in een brandstofcel.

Figuur 4 is een grafiek die de tijdwaarneming toont van de toevoer van aanvullend elektrolyt.

Figuur 5 is een topografie die een binnenvlakse tempera-tuurverdeling van een elektrolytplaat toont.

Figuur 6 is een uiteengenomen opstelling van bestanddelen van een uitvoeringsvorm van de brandstofcel volgens de onderhavige uitvinding.

Figuur 7 is een schematisch aanzicht van een afgesloten houder voor de toevoer van aanvullend elektrolyt die één van de manieren toont van hoe de houders geplaatst kunnen zijn in de brandstofcel die getoond is in figuur 6.

Figuur 8 is een uiteengenomen opstelling van bestanddelen volgens een andere uitvoeringsvorm van de brandstofcel volgens de onderhavige uitvinding.

Figuur 9 is een schematisch aanzicht van een afgesloten houder voor de toevoer van aanvullend elektrolyt die één van de manieren toont van hoe de houders geplaatst kunnen zijn in de brandstofcel, die getoond is in figuur 8.

Figuur 1 is een uiteengenomen opstelling van de bestanddelen van een uitvoeringsvorm van de brandstofcel volgens de onderhavige uitvinding. In de figuur is een elektrolytelement 4, dat geïmpregneerd is met een elektrolyt, geplaatst tussen een elektrodenpaar, een anode 3 en een kathode 5. Separatoren 1 zijn geplaatst tegenover één van de elektroden, de anode 3 of de kathode 5, aan de zijde daarvan die afgewend is van het elektrolytelement en voorzien van golfplaten 2 die kanalen vormen waardoor reactiegassen passeren naar de respectievelijke elektroden. Deze bestanddelen vormen samen één generator cel 7. Een groot aantal van dergelijke generator cellen 7 kan opgestapeld worden om een brandstofcelsamenstel te vormen.

In de brandstofcel, die opgesteld is zoals bovenstaand beschreven, zijn een groot aantal afgesloten oplosbare houders 6, die gevuld zijn met een elektrolyt 8 dat te gebruiken is voor het bewerkstelligen van aanvulling met het elektrolyt, zoals getoond is in figuur 2, geplaatst in met name de verdiepte gedeelten, waardoor geen reactiegas passeert, van de geperforeerde golfplaten 2 die gasstroomkanalen vormen, zoals gezien kan worden vanuit het gedeeltelijk vergrote schematische perspectiefaanzicht, zoals getoond in figuur 3. In figuur 3 duidt 1 de separator aan, 2 de golfplaat, 3 de anode en 6 de afgesloten houder voor aanvullend elektrolyt. Het elektrolyt 8 kan er één zijn dat in het algemeen gebruikt wordt in het gesmolten carbonaattype brandstofcellen, bijvoorbeeld een gemengd zout (dichtheid: 1,934 g/cm3) van lithiumcarbonaat (Li2CC>3) en kaliumcarbonaat (K2C°3) in een verhouding van Li2C03 : K2C03 =62 : 38. Te gebruiken materialen voor de aanvullende elektrolythouders 6 omvatten roestvrij staalsoorten zoals JIS-SUS316, JIS-SUS310, en austeniettype roestvrij staal met hoog Cr-gehalte: 25Cr-20Ni dat chemisch gemodificeerd kan zijn door het veranderen van de hoeveelheid Ni of het toevoegen van Al, Ti, Mo en Y. Chemische samenstellingen van deze materialen die als voorbeeld dienen zijn genoemd in de onderstaande tabel 1. De te gebruiken materialen voor de afgesloten houders voor aanvullend elektrolyt volgens de onderhavige uitvinding moeten gebruikelijk de kenmerken hebben dat de oplossing van de houders 6 de werking van de cel niet aantast, d.w.z. dat de celspanning onder de constante werkingsomstandigheden bij een constante belading zowel vóór als na de oplossing in het geheel niet varieert.

Tabel 1

Chemische samenstelling van materialen voor houders voor aanvullend elektrolyt.

Toegevoegde hoeveelheid.

Hierna worden de functies van de aldus gevormde brandstofcel beschreven. Als eerste worden de afgesloten oplosbare houders 6 die gevormd zijn uit de bovengenoemde materialen en gebruikt worden voor het aanvullen met elektrolyt, gevuld met een elektrolyt en worden een groot aantal van de gevulde houders 6 voorafgaand ingesloten binnen de brandstofcel in de nabijheid van het bovengenoemde elektrolytelement 4 tijdens het samenstellen van de cel. Wanneer de cel voltooid is laat men de temperatuur van de cel toenemen tot de celwerkingstemperatuur van 650'C en vervolgens begint de cel te werken. De elektrolyt met een smelttemperatuur van 491°C is in de gesmolten toestand bij de werkingstemperatuur van 650°C en heeft een sterk alkalisch karakter. Daarom is de elektrolyt 8 binnen de afgesloten oplosbare houders 6 voor het toevoeren van aanvullend elektrolyt ook gesmolten bij de celwerkingstemperatuur van 650 "c en heeft een sterk alkalisch karakter. Hierdoor beginnen de afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt die gevormd zijn uit het bovengenoemde SUS316, SUS310 of 25Cr-20Ni roestvrije staalmateriaal, op te lossen vanaf hun binnenwanden en het gesmolten elektrolyt, dat de houders heeft gevuld, af te geven wanneer de gehele dikte van tenminste een deel van de houderwanden is opgelost, en het afgegeven elektrolyt gaat door de geperforeerde golfplaten 2 en de anode 3 het elektrolytelement 4 binnen als aanvullend elektrolyt. Met andere woorden wil dit zeggen dat de afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt opgelost worden waarbij het elektrolyt dat de inhoud van de houders vormt, op ongeveer het tijdstip dat het elektrolyt dat ingesloten is door het elektrolytelement onvoldoende wordt, en dat het aanvullende elektrolyt toegevoerd wordt aan het elektrolytelement. De dikte van de wanden van de afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt kan gekozen worden met in beschouwing nemen van het type en de hoeveelheid in de houders in te sluiten elektrolyt en de tijd die benodigd is om de houders op te lossen in het elektrolyt.

Het aanvullende elektrolyt kan aan het elektrolytelement 4 op de bovenbeschreven manier worden toegevoerd. Echter, zelfs wanneer de aanvulling met het elektrolyt werd uitgevoerd, kan de werking van de cel opnieuw een tekort aan elektrolyt veroorzaken. Daarom moet, in plaats van dat een groot aantal van de afgesloten oplosbare houders 6 voor aanvullend elektrolyt die aangebracht zijn in de nabijheid van het elektrolytelement 4 binnen de cel allen tegelijkertijd opgelost worden, de toevoer van elektrolyt aan het elektrolytelement 4 in een aantal keren worden uitgevoerd door voor de afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt gebruik te maken van een groot aantal typen houders die gemaakt zijn van verschillende materialen of die een verschillende wanddikte hebben en gevuld zijn met het elektrolyt, en de gevulde houders binnen de cel in de nabijheid van het elektrolytelement 4 aangebracht worden. Het is vanzelfsprekend dat een dergelijke opstelling de verdere verlengde werking van de brandstofcel mogelijk maakt.

Figuur 4 is een grafiek die het profiel toont van één van de aanvullingen zoals bovenstaand beschreven, waarbij de celspanning gegeven is op de ordinaat en de celwerkingstijd op de abscis. In de figuur geeft lijn 9 het geval weer waar geen aanvulling werd uitgevoerd en in dit geval is het duidelijk dat de spanning afneemt met de tijd. Aan de andere kant geeft lijn 10 één van de voorbeelden volgens de onderhavige uitvinding weer en in dit geval kan men zien dat de spanning in eerste instantie af neemt met de tijd, op een vergelijkbare manier als in het geval van lijn 9. Wanneer de celwerkingsti jd 5000 uur bereikte, d.w.z. juist vóór het bereiken van de onderbroken lijn 13 die een maat weergeeft van een behoefte aan elektrolytaanvulling, werd de eerste aanvulling met elektrolyt uitgevoerd, zoals bovenstaand in het voorbeeld beschreven. Dit bracht de verminderde celspanning terug tot het niveau van de in eerste instantie gegenereerde spanning in de werkende cel, zoals aangegeven met punt 11. De onderbroken lijn 13 die een maat weergeeft voor een behoefte aan de elektrolytaanvulling werd voorafgaand bepaald vanuit een proefwerking van de cel en ligt op het niveau dat lager is dan de in eerste instantie opgewekte spanning in de celwer-king, met 1%.

Hoewel de eerste aanvulling de celspanning terugbracht tot het niveau van de aanvankelijke spanning, daalde daaropvolgend de spanning opnieuw wanneer de cel in werking was.

Wanneer de celwerkingstijd daarbij nog eens ongeveer 5000 uur had bedragen, d.w.z. juist voordat de spanning de onderbroken lijn 13 bereikte, wat een maat weergeeft voor de noodzakelijke elektrolytaanvulling, werd de tweede aanvulling met elektrolyt uitgevoerd om de celspanning terug te brengen (punt 12). Voor het gemak is in de beschrijving de elektrolytaanvulling uitgevoerd bij elke 5000 uur, maar praktisch is een doorlopende werkingstijd van 40 000 uur gewenst voor brandstofcellen, hetgeen natuurlijk de verlagingssnelheid in celspanning met betrekking tot de celwerkingstijd en de frequentie van elektrolytaanvulling bepaalt.

Anderszins kan de elektrolytaanvulling uitgevoerd worden door het modificeren van de structuur van de afgesloten oplosbare houders 6 voor aanvullend elektrolyt of de plaatsing hiervan in de cel, afhankelijk van gedeeltelijke variatie van een vermindering in de hoeveelheid elektrolyt. Dat wil zeggen dat in het elektrolytelement 4 gedeelten gevormd kunnen worden waar het geïmpregneerde elektrolyt in een grotere mate of in een mindere mate afneemt, afhankelijk van de gasstroomsnelheid of de reactie en dergelijke. Daarom dringt, in het geval dat de afgesloten oplosbare houders 6 voor aanvullend elektrolyt gelijkmatig verdeeld zijn en de aanvulling met het elektrolyt tegelijkertijd uitgevoerd wordt op de plaatsen tegenover de gedeelten waar het elektrolyt in een grotere mate afneemt als daar waar het elektrolyt in een mindere mate afneemt, een overmaat elektrolyt ten opzichte van de hoeveelheid elektrolyt dat door impregneren in het elektrolytelement 4 is gebracht in de elektroden, hetgeen resulteert in een verstopping van de plaatsen voor de reactiegassen waardoor een aanzienlijke vermindering in celprestatie veroorzaakt wordt.

Om deze moeilijkheden op te heffen kunnen bijvoorbeeld de volgende hulpmiddelen overwogen worden: 1) Een groter aantal van de afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt worden geplaatst op de plaatsen tegenover de gedeelten van het elektrolytelement waar een grotere vermindering van het elektrolyt plaatsvindt, terwijl een kleiner aantal van de houders geplaatst worden waar een kleinere vermindering plaatsvindt.

2) Afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt met een dunnere wand worden geplaatst op de plaatsen tegenover de gedeelten van het elektrolytelement waar een grotere vermindering van het elektrolyt plaatsvindt, terwijl de houders 6 met een dikkere wand daar geplaatst worden waar een kleinere vermindering plaatsvindt.

3) Afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt die gevormd zijn uit materialen die geneigd zijn tot oplossen in het elektrolyt worden geplaatst op de plaatsen tegenover de gedeelten van het elektrolytelement waar een grotere vermindering van het elektrolyt plaatsvindt, terwijl de houders 6 die gevormd zijn uit materialen die minder geneigd zijn tot oplossen met het elektrolyt daar geplaatst worden waar een kleinere vermindering plaatsvindt.

Voorbeelden die gebruik maken van de hulpmiddelen zijn hieronder beschreven.

Een stapeling van cellen met een vermogen van ongeveer 100 kW werd vervaardigd om te bestuderen. Een separator had afmetingen van 1500 mm x 1500 mm en 88 cellen met elk een dikte van 7 mm werden opgestapeld. De cel had een elektrode-oppervlak van 12 100 cm2. De hoeveelheid toe te voeren elektrolyt aan een dergelijke cel was elke keer 100 g. Daar de streefwerkingstijd 40 000 uur was, was 8 maal een aanvulling benodigd, waarbij de aanvulling gemiddeld elke 5 000 uur werd uitgevoerd. Tekort aan elektrolyt komt op variërende tijden in variërende gedeelten van het elektrolytelement voor, omdat het binnenvlakse temperatuuronderscheid van de cel in de toestand was die getoond is in figuur 5. Daarom benodigen de gedeelten met een relatief lage temperatuur een langere tijdsinterval tussen de aanvullingen, waarbij het aantal aanvullingen kleiner is. Daarentegen benodigen de gedeelten met hogere temperatuur een groter aantal van de aanvullingen. Met het in acht nemen van deze omstandigheden werden drie typen afgesloten houders voor aanvullend elektrolyt bereid die overeenstemmen met de temperaturen van de ladingsplaatsen. De buitenafmetingen van de houders waren 1,50 mm in diameter, 3,42 mm in lengte en in het gebied van 0,06 tot 0,10 mm in dikte, afhankelijk van de ladingsplaatsen. Eén houder voerde zijn aanvullende elektrolyt toe aan 1 cm2 van het elektrolytelement. Daarbij werden drie typen materialen verschaft, overeenstemmend met de temperaturen van de ladingsplaatsen, d.w.z. SUS316 van 0,10 mm dikte voor de temperaturen van 580 tot 620°C, 25Cr-20Ni van 0,06 mm dikte voor 620 tot 660°C en 25Cr-20Ni van 0,10 mm dikte voor 660 tot 700°C. De chemische samenstellingen van het SUS316 en het 25Cr-20Ni waren respectievelijk die van Nr. 1 en 14 in tabel 1. Zoals bovenstaand beschreven varieert het aantal in te brengen houders voor aanvullend elektrolyt volgens de tempe-ratuurverdeling, zoals getoond in figuur 5. Dat wil zeggen dat 6 houders geplaatst werden op plaatsen in het tempera-tuurgebied van 580 tot 620°C, 7 tot 8 houders bij 620 tot 660eC en 9 houders bij 660 tot 700°C. De houders werden geplaatst in de kanalen van de geperforeerde golfplaat van een separator, direct boven de anode (zie het gedeeltelijk vergrote perspectiefaanzicht dat getoond is in figuur 3). De houders waren verspreid geplaatst in een aantal kanalen, waarbij sommige houders zich in een rij langs een kanaal bevonden, overeenkomend met de voor af bepaalde temperatuurge-bieden en met het in acht nemen van het temperatuurprofiel dat niet evenwijdig loopt aan de kanalen.

Zoals bovenstaand beschreven worden volgens dit voorbeeld de afgesloten oplosbare houders die gevuld zijn met een elektrolyt, geladen binnen een cel en worden de houders opgelost om het elektrolyt, dat hierin is ingesloten, toe te voeren aan het elektrolytelement, zodat de elektrolytelemen-ten direct worden aangevuld met het elektrolyt, waardoor minder corrosie in de celuitrusting veroorzaakt wordt. In de werkwijze volgens de stand van de techniek voor het toevoeren van aanvullend elektrolyt, is het elektrolyt steeds in aanraking met de celuitrusting en vult het steeds de elektroden zodat het aanvullende elektrolyt moeilijk geabsorbeerd wordt in de elektroden, terwijl in de onderhavige uitvinding het aanvullende elektrolyt toegevoerd wordt wanneer het elektrolyt dat geïmpregneerd is in het elektrolytelement ontoereikend wordt, zodat het toegevoerde elektrolyt gemakkelijk geabsorbeerd kan worden door de elektroden, waardoor een directe aanvulling met elektrolyt bewerkstelligd wordt, en het mogelijk wordt de celuitrusting een langere levensduur te geven en de celbetrouwbaaraeid verhoogd wordt. Bovendien maakt het gebruik van afgesloten oplosbare houders voor aanvullend elektrolyt van verschillende materialen en/of verschillende dikten vrije keuzen mogelijk van de totale werkingstijd met de elektrolytaanvullingen, het aantal van de elektrolytaanvullingen en de hoeveelheid tegelijkertijd aan te vullen elektrolyt. Daarom kan, terwijl de gebruikelijke werkingsomstandigheden gehandhaafd worden, een keuzehoe-veelheid aanvullend elektrolyt op een tijdsinterval naar keuze toegevoerd worden, hetgeen de cellen in staat stelt om in werking te zijn gedurende een verlengde tijdsperiode. Bovendien maakt de plaatsing van de afgesloten oplosbare houders voor aanvullend elektrolyt in overeenstemming met de gedeelten van het elektrolytelement waar het elektrolyt gedeeltelijk in meerdere mate of mindere mate afneemt, als gevolg van de reacties met gassen en dergelijke, het mogelijk dat het elektrolytelement gelijkmatig geïmpregneerd is met een constante hoeveelheid elektrolyt zodat de celprestatie niet aanmerkelijk wordt aangetast.

De voorbeelden volgens de onderhavige uitvinding zijn beschreven met verwijzing naar figuren 1 tot 5. Hierna zullen andere voorbeelden worden beschreven met verwijzing naar figuren 6 en 7.

De bestudeerde brandstofcel was van een kleine afmeting met een elektrode-oppervlak van 55 cm x 55 cm en had een separator 18, uitgerust met een verdeelstuk voor de toevoer van reactiegassen aan elke elektrode. De brandstofcel omvatte een elektrolytelement 16, geïmpregneerd met een elektrolyt waarbij het verdeelstuk in zijn randgedeelte was geplaatst, een anode 15 en een kathode 17 die aan beide zijden van het elektrolytelement 16 zijn geplaatst, een collector 14 en de separator 18 die is uitgerust met het verdeelstuk voor het laten passeren van reactiegassen naar elke elektrode. Zoals getoond in figuur 6 heeft de separator 18 holten 19 gevormd in zijn randgedeelte voor het opneroen van afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt om het elektrolyt op te slaan. In de stand van de techniek bevatten deze holten 19 direct het elektrolyt dat opgeslagen moet worden en voeren deze het de gehele tijd toe aan het elektrolytelement, zodat de mate rialen rond deze holten geleidelijk oplossen door het opgeslagen elektrolyt dat gesmolten is bij de celwerkingstempera-tuur. Om deze moeilijkheid te vermijden past, zoals getoond in figuur 7, de onderhavige uitvinding het inbrengen van het elektrolyt in afgesloten oplosbare houders 6 voor aanvullend elektrolyt toe, zoals beschreven in het voorgaande voorbeeld, en het bedekken van elk van de houders met een dunne laag 20 die ontworpen is om de holte 19 te bedekken en gemaakt is van hetzelfde materiaal als dat van de afgesloten oplosbare houders 6 voor aanvullend elektrolyt of een materiaal dat gevoelig is voor oplossing met het opgeslagen elektrolyt. Het materiaal voor de afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt en de dunne laag 20, waarnaar hier verwezen wordt, kan op dezelfde manier gehanteerd worden als de afgesloten oplosbare houders 6 voor aanvullend elektrolyt die beschreven zijn in het voorgaande voorbeeld. Een werkwijze voor het inbrengen van de afgesloten houders 6 voor aanvullend elektrolyt is als volgt: De separator 18 wordt geplaatst met de holten 19 open aan de bovenzijde en de houders 6 worden in de holten 19 geplaatst. Vervolgens wordt elk van de holten bedekt en beplakt met de dunne laag 20. De met houders beladen separator wordt daarna omgekeerd zodat de dunne lagen zich aan de onderzijde bevinden en op de anode geplaatst bij het samenvoegen van een cel. Op deze manier is de separator steeds met de afgesloten openingen van de holten die de houder bevatten naar beneden gericht geplaatst. Deze opstelling maakt het mogelijk dat het gesmolten aanvullende elektrolyt door de zwaartekracht vanuit de opgeloste houders naar het elektrolytelement naar beneden stroomt.

Wanneer de brandstofcel in werking is worden de afgesloten oplosbare houders 6 voor aanvullend elektrolyt, die geplaatst zijn in de holten 19, opgelost vanaf de binnenwand door het elektrolyt dat hierin aanwezig is waardoor het elektrolyt hieruit in de holten 19 stroomt. Vervolgens worden de dunne lagen 20 opgelost door het elektrolyt dat in de holten 19 gekomen is en wordt het elektrolyt in de holten 19 toegevoerd aan het elektrolytelement 15. De aanwezigheid van de dunne lagen 20 kan de aanvang van de aanvulling met het elektrolyt vertragen, vergeleken met het geval waarin alleen de houders 6 gebruikt worden.

Zoals bovenstaand beschreven zijn in dit voorbeeld de afgesloten oplosbare houders 6, die gevuld zijn met aanvullend elektrolyt, geplaatst in de holten 19, die gevormd zijn in de separator 18, en elk bedekt met een dunne laag 20 die gemaakt is van hetzelfde materiaal als dat van de afgesloten oplosbare houders 6 voor aanvullend elektrolyt of een materiaal dat gevoelig is voor oplossing met het opgeslagen elektrolyt. De afgesloten oplosbare houders 6 voor aanvullend elektrolyt en de dunne lagen 20 die de holten 19 bedekken, worden opgelost in het gesmolten elektrolyt bij de celwer-kingstemperatuur om het aanvullende elektrolyt toe te voeren aan het elektrolytelement. Op deze manier kunnen gelijke uitwerkingen als die in het voorgaande voorbeeld verkregen worden en zelfs gebruikelijke brandstofcellen kunnen voorzien worden van aanvullend elektrolyt door gebruik te maken van de bovengenoemde houders.

Het gebruik van de dunne lagen maakt de regulatie van de aanvangstijd van de aanvulling met elektrolyt, zoals beschreven in het bovenstaande voorbeeld, mogelijk en de combinatie hiervan met de opstelling van het voorgaande voorbeeld maakt het mogelijk dat de celwerkingstijd met de elektrolytaanvullingen zich uitstrekt tot meer dan 40 000 uur.

Hoewel de onderhavige uitvinding beschreven is met verwijzing naar twee voorbeelden van gesmolten carbonaattype brandstofcellen, is het toepasbaar op fosforzuurtype brandstofcellen.

Figuur 8 toont een opstelling van één van de fosforzuurtype brandstofcellen. In de figuur duidt 21 een elektrolytelement aan dat geïmpregneerd is met een fosforzuurelektro-lyt, waaronder een afstandsstuk 22 is geplaatst. Katalysatoren 23 zijn aan de bovenzijde en de onderzijde van een combinatie van het element en het afstandsstuk geplaatst. Het geheel wordt verder aan de boven- en onderzijde omgeven door separatoren 24 om een generatorcel 30 te vormen. De separator 24 wordt gevormd door randafdichtingen 25, een koolstofplaat 26 en reservoirs 27. Een groot aantal van de generatorcellen 30 zijn opgestapeld om een brandstofcel te vormen.

Zoals getoond in figuur 8 hebben de randafdichtingen 25 holten 29 gevormd in het randgedeelte voor het opnemen van afgesloten houders 28 voor aanvullend elektrolyt. In dit voorbeeld zijn de afgesloten houders 28, die oplosbaar zijn met het fosforzuurelektrolyt, gevuld met het fosforzuurelek-trolyt om gelijke uitwerkingen te verkrijgen als die die beschreven zijn in de voorbeelden van het gesmolten carbo-naattype brandstofcellen. Bovendien zijn de houders die geplaatst zijn in de holten 29 elk bedekt met een dunne laag 31 die ontworpen is om de holte te bedekken en gemaakt is van hetzelfde materiaal als dat van de afgesloten oplosbare houders 28 voor aanvullend elektrolyt of een materiaal dat gevoelig is voor oplossing in het opgeslagen elektrolyt, zoals getoond in figuur 9.

De opstelling zoals bovenstaand beschreven kan zelfs met fosforzuurtype brandstofcellen dezelfde functies en uitwerkingen verkrijgen als die in het gesmolten carbonaattype brandstofcellen.

Volgens de onderhavige uitvinding worden de afgesloten oplosbare houders voor elektrolyt die gevuld zijn met een elektrolyt, binnen een cel gebracht en worden de houders opgelost om met het elektrolyt, dat hierin aanwezig is, het elektrolytelement aan te vullen. Dus de onderhavige uitvinding kan voorzien in een brandstofcel met een hoge prestatie, een werkwijze voor het toevoeren van aanvullend elektrolyt en een houder voor aanvullend elektrolyt voor het tot stand brengen hiervan.

Claims (23)

1. Brandstofcel, omvattende een elektrolytelement (4) dat geïmpregneerd is met een elektrolyt, een elektrodenpaar (3; 5) waartussen het elektrolytelement (4) is opgesteld en separatoren (1), waarbij elk daarvan geplaatst is tegenover één van de elektroden (3; 5) aan de zijde daarvan die afgewend is van het elektrolytelement (4), met het kenmerk, dat in de separatoren (1) kanalen gevormd zijn, waardoor een reactiegas passeert naar de aanliggende elektrode (3; 5), waarbij een groot aantal afgesloten houders (6) voor aanvullend elektrolyt, die gemaakt zijn van een materiaal dat bij verhoogde temperaturen oplosbaar is in het elektrolyt en die gevuld zijn met elektrolyt, verspreid geplaatst is binnen de brandstofcel (7).

2. Brandstofcel volgens conclusie 1, waarin de brandstofcel van het gesmolten carbonaattype of het fosforzuurtype is.

3. Brandstofcel volgens conclusie 1, waarin het materiaal van de houder (6) dat oplosbaar is in het elektrolyt, afhankelijk van de plaats waar de houder (6) is geplaatst binnen de brandstofcel een verschillende oplosbaarheid heeft.

4. Brandstofcel volgens conclusie 1, waarin het materiaal dat oplosbaar is in het elektrolyt, roestvrij staal is.

5. Brandstofcel volgens conclusie 1, waarin het roestvrije staal tenminste één is van SUS316, SUS310 en austeniettype roestvrije staalsoorten met hoog Cr-gehalte.

6. Brandstofcel volgens conclusie 5, waarin het austeniettype roestvrij staal met hoog Cr-gehalte 25Cr-mNi roestvrij staal is, waarbij m 19,3 tot 40,5 gew.% is, waaraan tenminste één van de groep van Al, Ti, Mo en Y is toegevoegd.

7. Brandstofcel volgens conclusie 1, waarin geperforeerde golfplaten (2) voor het verschaffen van gasstroompaden geplaatst zijn aan beide hoofdoppervlakken van de separator (1) en waarbij de afgesloten houders (6) voor aanvullend elektrolyt verspreid geplaatst zijn in de kanalen waarin geen reactiegas passeert.

8. Brandstofcel volgens conclusie 1, waarin een groot aantal holten (19) voorzien zijn in het randgedeelte van de separator (18) en waarbij de afgesloten houders (6) voor aanvullend elektrolyt geplaatst zijn in de holten (19).

9. Brandstofcel volgens conclusie 8, waarin de holten (19) elk bedekt zijn met een dunne laag (20).

10. Afgesloten houder (6) voor aanvullend elektrolyt om geplaatst te worden binnen een brandstofcel die een elektro-lytelement (4), dat geïmpregneerd is met een elektrolyt, een elektrodenpaar (3; 5) waartussen het elektrolytelement (4) is opgesteld en separatoren (1) omvat, waarbij elk daarvan geplaatst is tegenover één van de elektroden (3; 5) aan de zijde daarvan die afgewend is van het elektrolytelement (4) en waarop kanalen gevormd zijn, waardoor een reactiegas passeert naar de aanliggende elektrode (3; 5), waarbij de houder (6) gemaakt is van een materiaal dat bij verhoogde temperaturen oplosbaar is in het elektrolyt en gevuld is met het elektrolyt.

11. Houder volgens conclusie 10, waarin de brandstofcel van het gesmolten carbonaattype of het fosforzuurtype is.

12. Houder volgens conclusie 10, waarin het materiaal van de houder (6) dat oplosbaar is in het elektrolyt een verschillende oplosbaarheid heeft, afhankelijk van de plaats waar de houder is geplaatst binnen de brandstofcel.

13. Houder (6) volgens conclusie 10, waarin het materiaal dat oplosbaar is in het elektrolyt roestvrij staal is.

14. Houder (6) volgens conclusie 13, waarin het roestvrije staal tenminste één is van SUS316, SUS301 en austeniet-type roestvrije staalsoorten met hoog Cr-gehalte.

15. Werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt, waarbij de brandstofcel een elektrolytelement (4) dat geïmpregneerd is met het elektrolyt, een elektrodenpaar (3; 5) waartussen het elektrolytelement (4) is opgesteld en separatoren (1) omvat, waarbij elk daarvan geplaatst is tegenover één van de elektroden (3; 5) aan de zijde daarvan die afgewend is van het elektrolytelement (4) en waarop kanalen gevormd zijn, waardoor een reactiegas passeert naar de aanliggende elektrode(3; 5), met het kenmerk, dat de werkwijze omvat het plaatsen van tenminste één van de afgesloten houders (6) voor aanvullend elektrolyt, die gemaakt zijn van een materiaal dat bij verhoogde temperaturen oplosbaar is in het elektrolyt en gevuld zijn met het elektrolyt, binnen de brandstofcel, en het toevoeren van het aanvullende elektrolyt vanuit de opgeloste houders (6) aan de brandstofcel gedurende het in werking zijn van de cel.

16. Werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt volgens conclusie 15, waarin de brandstofcel van het gesmolten carbonaattype of het fosforzuurtype is.

17. Werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt volgens conclusie 15, waarin het materiaal van de houder (6) dat oplosbaar is in het elektrolyt een verschillende oplosbaarheid heeft, afhankelijk van de plaats waar de houder is geplaatst binnen de brandstofcel.

18. Werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt volgens conclusie 15, waarin het materiaal dat oplosbaar is in het elektrolyt roestvrij staal is.

19. Werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt volgens conclusie 15, waarin het roestvrije staal tenminste één is van SUS316, SUS310 en austeniet-type roestvrije staalsoorten met hoog Cr-gehalte.

20. Werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt volgens conclusie 19, waarin het auste-niettype roestvrije staal met hoog Cr-gehalte 25Cr-mNi roestvrij staal is, waarbij m 19,3 tot 40,5 gew.% is, waaraan tenminste één van de groep van Al, Ti, Mo en Y is toegevoegd.

21. Werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt volgens conclusie 15, waarin de geperforeerde golfplaten (2) voor het verschaffen van gasstroompaden geplaatst zijn aan beide hoofdoppervlakken van de separator (1) en de afgesloten houders (6) voor aanvullend elektrolyt verspreid geplaatst zijn in de kanalen waar geen reactiegas passeert.

22. Werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt volgens conclusie 15, waarbij een groot aantal holten (19) voorzien is in het randgedeelte van de separator en de afgesloten houders (6) voor aanvullend elektrolyt geplaatst zijn in de holten (19).

23. Werkwijze voor het aanvullen van een brandstofcel met een elektrolyt volgens conclusie 22, waarin de holten (19) elk bedekt zijn met een dunne laag (20).