CH617293A5

CH617293A5 - Component for an electrochemical battery

Info

Publication number: CH617293A5
Application number: CH326277A
Authority: CH
Inventors: Franz-Josef Dr Rohr
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1976-04-06
Filing date: 1977-03-16
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DE2614728A1; FR2347783A1; FR2347783B3

Description

; Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine elektrochemische Batterie, deren Zellen flächige Elektroden aufweisen, die jeweils durch einen ionenleitenden Festelektrolyten getrennt und elektrisch in Reihe geschaltet sind. ; The invention relates to a component for an electrochemical battery, the cells of which have flat electrodes which are each separated by an ion-conducting solid electrolyte and are electrically connected in series.

Ein bekanntes Bauteil dieser Art ist rohrförmig ausgebildet, , wobei die Elektroden auf den Mantelflächen angeordnet sind. Die Herstellung dieses röhrenförmigen Bauteils ist aufwendig und die daraus zusammengestellten Batterien weisen, bezogen auf die abgebbare Leistung, ein grosses Volumen auf. Hinzu kommt, dass jedes Bauteil lediglich nur eine einzige Zelle ; enthält, so dass zum Aufbau einer mehrzelligen Batterie eine Vielzahl von Bauteilen unter Einfügung von Dicht- und Verbindungsmitteln aneinandergereiht werden müssen. Diese Dicht-und Verbindungsmittel übernehmen neben der elektrischen A known component of this type is tubular, the electrodes being arranged on the lateral surfaces. The production of this tubular component is complex and the batteries assembled from it have a large volume in relation to the power that can be output. In addition, each component is only a single cell; contains, so that to build a multi-cell battery, a large number of components must be strung together with the insertion of sealing and connecting agents. These sealing and connecting means take over in addition to the electrical

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Serienschaltung der Elektroden zusätzlich die gasseitige Abdichtung. Nachteilig ist hierbei, dass die Dicht- und Verbin-dungsmittel nicht völlig gasdicht sind und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so dass bei der Vielzahl der Verbindungsstellen mit spürbaren Gasverlusten und hohem elektrischen Innenwiderstand der Batterie zu rechnen ist. Series connection of the electrodes additionally the gas side seal. The disadvantage here is that the sealing and connecting means are not completely gas-tight and have low electrical conductivity, so that with the large number of connection points, noticeable gas losses and high electrical internal resistance of the battery can be expected.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil der eingangs genannten Art anzugeben, das bei kompakter Form einfach und daher billig herzustellen ist und das darüber hinaus für den Aufbau von elektrochemischen Batterien geringen Raumbedarfs bei hoher Leistung geeignet ist, welche weitgehend gasdicht sind und geringen elektrischen Innenwiderstand aufweisen. The invention is therefore based on the object of specifying a component of the type mentioned which is simple and therefore inexpensive to manufacture in a compact form and which is also suitable for the construction of electrochemical batteries requiring little space and high power, which are largely gas-tight and low have internal electrical resistance.

Die Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Bauteil der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch einen gasdurchlässigen, elektrisch nichtleitenden Trägerkörper mit wenigstens einer Begrenzungsfläche die mit Abstand zueinander verlaufende, an den Enden offene Rinnen aufweist, auf denen die Elektrolyte und Elektroden in Form von Schichten angeordnet sind, wobei gegenpolige Elektroden benachbarter Rinnen und die freien Elektroden der ersten sowie letzten Rinne mit elektrischen Leitern, welche die Rinnen längsseitig begrenzende Stege überbrücken, miteinander bzw. mit elektrischen Anschlüssen verbunden sind. The solution to this problem is characterized in a component of the type mentioned at the outset by a gas-permeable, electrically nonconductive support body with at least one boundary surface which has spaced-apart, open-ended channels at which the electrolytes and electrodes are arranged in the form of layers, wherein opposite-pole electrodes of adjacent channels and the free electrodes of the first and last channels are connected to one another or to electrical connections by means of electrical conductors which bridge webs delimiting the channels on the longitudinal side.

Da die Elektroden und Elektrolyte von einem Trägerkörper getragen sind, genügt es, diese in Schichten aufzubringen, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 10 und 100 (xm, wodurch eine erhebliche Einsparung an Elektrolytmaterial erreicht wird. Da die Rinnen und die Stege des Trägerkörpers frei zugänglich sind, lassen sich die Elektrolyt- bzw. Elektrodenschichten mit dem bekannten Dünnschichtverfahren leicht aufbringen. Das gleiche gilt für die elektrischen Leiter, welche gegenpolige Elektroden benachbarter Rinnen miteinander bzw. mit elektrischen Anschlüssen verbinden. Da die Rinnen vorzugsweise mit sehr geringem Abstand nebeneinander angeordnet sind, ist der Trägerkörper gut ausgenutzt. Der Mehraufwand für den Trägerkörper ist verschwindend gering gegenüber den Einsparungen, die beim Aufbau des Bauteils gemäss der Erfindung erzielt werden. Since the electrodes and electrolytes are carried by a carrier body, it is sufficient to apply them in layers, preferably with a thickness of between 10 and 100 μm, as a result of which a considerable saving in electrolyte material is achieved. Because the channels and the webs of the carrier body are freely accessible The electrolyte or electrode layers can easily be applied using the known thin-film method. The same applies to the electrical conductors which connect opposite-pole electrodes of adjacent channels to one another or to electrical connections. Since the channels are preferably arranged very close to one another the additional effort for the supporting body is negligibly small compared to the savings which are achieved in the construction of the component according to the invention.

Durch die Anordnung von mehreren, jeweils mit Elektroden und Elektrolyten versehenen Rinnen in einem Bauteil ist dieses für den Aufbau einer elektrochemischen Batterie hoher Leistung, bezogen auf das Bauvolumen, besonders geeignet. Da die Elektroden der einzelnen Rinnen bereits beim Bauteil durch elektrische Leiter miteinander verbunden sind, brauchen beim Zusammenbau der Batterie keine elektrischen Verbindungen hergestellt zu werden und die gegebenenfalls erforderlichen Verbindungs- oder Dichtmittel müssen keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wodurch sich deren Auswahl vereinfacht. Due to the arrangement of several channels, each provided with electrodes and electrolytes, in one component, this is particularly suitable for the construction of an electrochemical battery of high power, based on the construction volume. Since the electrodes of the individual channels are already connected to one another by electrical conductors in the component, no electrical connections need to be made when assembling the battery, and the connection or sealing means that may be required need not have any electrical conductivity, which simplifies their selection.

Als Festelektrolyte im Sinne der Erfindung sollen auch von einer Matrix aufgenommene Elektrolyte verstanden sein. Solid electrolytes in the sense of the invention should also be understood to mean electrolytes taken up by a matrix.

Eine kostengünstige Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass die Rinnen in einer Deckfläche des etwa die Form einer rechteckigen Platte aufweisenden Trägerkörpers ausgebildet sind. An inexpensive embodiment of the invention can consist in that the channels are formed in a cover surface of the support body, which is approximately in the form of a rectangular plate.

Für einen besonders einfachen und übersichtlichen Aufbau einer Batterie ist eine bevorzugte Weiterbildung des Bauteils dadurch gekennzeichnet, dass die im Querschnitt etwa halbkreisförmigen und untereinander gleichen Rinnen mit ihren geraden Längsachsen parallel und mit gleichem gegenseitigen Abstand verlaufen und parallel zu einer Seitenfläche des Trägerkörpers angeordnet sind. Die Dicke des Trägerkörpers ist hierbei lediglich mit Rücksicht auf eine ausreichende mechanische Festigkeit gewählt. For a particularly simple and clear structure of a battery, a preferred further development of the component is characterized in that the channels, which are approximately semicircular in cross-section and mutually identical, run parallel with their straight longitudinal axes and with the same mutual spacing and are arranged parallel to a side face of the carrier body. The thickness of the carrier body is selected only with a view to sufficient mechanical strength.

In vorteilhafter Weise können die Stege, welche die Rinnen längsseitig begrenzen, an ihren Längskanten derart abgerundet sein, dass die Begrenzungsfläche ein wellenförmiges Profil aufweist. Advantageously, the webs, which delimit the channels on the longitudinal side, can be rounded on their longitudinal edges in such a way that the delimiting surface has an undulating profile.

Um die unmittelbar von der Rinne getragene Elektrode noch besser mit den zugehörigen Reaktanden versorgen zu können, kann die der Begrenzungsfläche gegenüberliegende Gegenfläche gerade Furchen aufweisen, die sich im Trägerkör-5 per bis in die Nähe der Rinnen erstrecken. Hierdurch ist die Zufuhr der Reaktanden auch bei mehreren zur Batterie aufeinander gestapelten Bauteilen gesichert und das Gewicht des Bauteils verringert. In order to be able to supply the associated reactants with the associated reactants even better, the counter surface opposite the boundary surface can have straight furrows which extend into the vicinity of the grooves in the carrier body. As a result, the supply of the reactants is ensured even in the case of a plurality of components stacked one on top of the other, and the weight of the component is reduced.

Hierbei ist es empfehlenswert, dass die geraden Furchen m symmetrisch zu einer jeweils den Abstand zwischen zwei Rinnen halbierenden Vertikalebene angeordnet sind, parallel zu den Rinnen verlaufen und sich bis in die Nähe der Begrenzungsfläche erstrecken. In this case, it is recommended that the straight furrows m are arranged symmetrically to a vertical plane bisecting the distance between two channels in each case, run parallel to the channels and extend up to the vicinity of the boundary surface.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung kann auch darin i5 bestehen, dass die Gegenfläche ein Wellenprofil aufweist, dessen Wellentäler die Furchen bilden. A particularly preferred development can also consist in that the counter surface has a wave profile, the wave troughs of which form the furrows.

Eine andere vorteilhafte Ausführung der Erfindung kann darin bestehen, dass jeweils jene Elektroden, welche für die Beaufschlagung mit Luft bzw. Sauerstoff vorgesehen sind, 2(i unmittelbar auf den Rinnen angeordnet sind. Another advantageous embodiment of the invention can consist in that those electrodes which are intended for the application of air or oxygen are arranged directly on the channels.

Um nun die Serienschaltung der Elektroden und die Stromabnahme einfach gestalten zu können, bewährte es sich, wenn die elektrischen Leiter auf den Stegen angeordnet sind. Hierbei können die Leiter gasdicht sein oder in einer anderen Ausfüh-25 rungsform können die Leiter gasdurchlässig und die Stege im Bereich der Leiter gasdicht ausgebildet sein, z. B. durch Dichtsintern oder Glasieren. In order to be able to make the series connection of the electrodes and the current consumption simple, it proved to be useful if the electrical conductors were arranged on the webs. Here, the conductors can be gas-tight or, in another embodiment, the conductors can be gas-permeable and the webs in the area of the conductors can be made gas-tight, e.g. B. by sealing sintering or glazing.

Die elektrische Kontaktierung der Elektroden ist hierbei besonders sicher, wenn auf den Leitern jeweils eine quer zu den .io Rinnen verlaufende, seitliche Verlängerung der Elektroden etwa bis zur halben Breite des Leiters geführt ist und an die gegenpolige Elektrode der benachbarten Zelle stösst. The electrical contacting of the electrodes is particularly safe here if a lateral extension of the electrodes, which runs transversely to the .io grooves, is guided on the conductors approximately up to half the width of the conductor and abuts the opposite-pole electrode of the neighboring cell.

Die Dicke der Leiter entspricht hierbei vorzugsweise etwa der Dicke der Elektroden. The thickness of the conductors preferably corresponds approximately to the thickness of the electrodes.

35 Eine andere Verbindung der Elektroden mit geringem Aufwand kann dann erreicht werden, wenn die seitlichen Enden der Leiter an jeweils eine Elektrode benachbarter Rinnen stumpf angeschlossen sind. 35 Another connection of the electrodes can be achieved with little effort if the lateral ends of the conductors are butt-connected to one electrode of adjacent channels.

Ist das Bauteil hierbei zum Aufbau einer Batterie für die 4o Oxidation eines Wasserstoff und/oder wenigstens eine gasförmige wasserstoffhaltige Verbindung enthaltenden Brenngases vorgesehen, so kann es vorteilhaft sein, wenn die Leiter aus Nickel oder einer Nickellegierung bestehen und die Form einer Folie oder einer aufgedampften Schicht aufweisen. Denn die 45 zwangsläufig mit dem Brenngas in Berührung kommenden Leiter nehmen Wasserstoff bzw. eine Wasserstoffverbindung aus dem Brenngas auf, die sie vor den Angriffen des Sauerstoffs bzw. der Luft bei hohen Temperaturen schützen, so dass die gute elektrische Leitfähigkeit von Nickel bzw. von Nickellegie-50 rungen auch in solchen Fällen ausgenutzt werden kann. If the component is provided for the construction of a battery for the oxidation of a hydrogen and / or at least one gaseous hydrogen-containing fuel gas, it can be advantageous if the conductors consist of nickel or a nickel alloy and the shape of a foil or an evaporated layer exhibit. This is because the 45 conductors that inevitably come into contact with the fuel gas absorb hydrogen or a hydrogen compound from the fuel gas, which protect them from the attacks of oxygen or air at high temperatures, so that the good electrical conductivity of nickel or nickel energy -50 stanchions can also be used in such cases.

Eine besonders einfache Ausgestaltung der Verbindung von Elektroden benachbarter Zellen kann darin bestehen, dass die Leiter jeweils von einer seitlichen Verlängerung der Elektroden gebildet und jeweils von einer seitlichen Verlängerung der 55 Elektroden der Nachbarzellen überdeckt sind. A particularly simple embodiment of the connection of electrodes of adjacent cells can consist in that the conductors are each formed by a lateral extension of the electrodes and are each covered by a lateral extension of the 55 electrodes of the neighboring cells.

Die wenigsten Probleme bezüglich der Leiter treten dann auf, wenn diese aus einem gegen reduzierende und oxidierende Atmosphäre beständigen Material bestehen. The fewest problems regarding the conductors arise if they are made of a material that is resistant to a reducing and oxidizing atmosphere.

Ein äusserst einfacher Gesamtaufbau des Bauteils kann fio darin bestehen, dass die Elektroden auf die Leiter aus einem gegen oxidierende und reduzierende Atmosphäre beständigen Material bestehen und gegenpolige Elektroden benachbarter Rinnen zusammen mit dem auf den Stegen aufgebrachten Leitern aus einem Stück gebildet sind. An extremely simple overall construction of the component can consist in that the electrodes on the conductors are made of a material that is resistant to an oxidizing and reducing atmosphere, and opposite-pole electrodes of adjacent channels are formed in one piece together with the conductors attached to the webs.

(i5 (i5

Ein Material, das für die Leiter bzw. Elektroden verwendet werden kann, ist ein 0,1 bis 1 % Bi203 enthaltendes Material der Formel A material that can be used for the conductors or electrodes is a material of the formula containing 0.1 to 1% Bi203

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4 4th

LaxMey' Me"03 LaxMey 'Me "03

wobei Me Strontium und Me11 Mangan, Nickel oder Chrom bedeuten und x die Werte 0,74 bis 0,92, y die Werte 0,08 bis 0,26 aufweist. where Me strontium and Me11 mean manganese, nickel or chromium and x has the values 0.74 to 0.92, y the values 0.08 to 0.26.

Hierbei kann nach einer bevorzugten Weiterbildung x die Werte 0,82 bis 0,86 und y die Werte 0,14 bis 0,18 aufweisen. According to a preferred development, x can have the values 0.82 to 0.86 and y the values 0.14 to 0.18.

Um eine gute Ab- oder Zufuhr des elektrischen Stromes zu erzielen, bewährte çs sich, wenn der elektrische Anschluss jeweils aus einem auf die Dicke der angeschlossenen Elektrode bzw. des angeschlossenen Leiters abgestimmten, nach aussen geführten Streifen aus Metall oder oxidischem Elektrodenmaterial besteht, dessen Länge mindestens der Länge der Rinnen entspricht und dessen Kontaktierung mit der jeweils zugehörigen Elektrode entsprechend den übrigen elektrischen Verbindungen des Bauteils ausgebildet ist. In order to achieve a good discharge or supply of the electrical current, çs proved to be effective if the electrical connection consisted of a strip of metal or oxidic electrode material, the length of which was matched to the thickness of the connected electrode or the connected conductor corresponds at least to the length of the grooves and whose contact with the associated electrode is designed in accordance with the other electrical connections of the component.

Um den elektrischen Anschluss weiter zu vereinfachen, To further simplify the electrical connection,

kann eine Weiterbildung der Erfindung auch darin bestehen, dass der auf dem ersten und letzten Steg angeordnete Leiter jeweils nach aussen geführt ist und sich mindestens über einen Teil der Seitenfläche des Grundkörpers erstreckt und den elektrischen Anschluss mitbildet. A development of the invention can also consist in that the conductor arranged on the first and last web is led outwards and extends at least over part of the side surface of the base body and forms the electrical connection.

Sollen zwei Bauteile zum Aufbau einer elektrochemischen Batterie verwendet werden, so sind vorteilhaft zwei Bauteile mit sich deckenden Rinnen aufeinandergesetzt und wenigstens im Bereich der ersten und letzten Stege gasdicht miteinander verbunden. If two components are to be used to construct an electrochemical battery, two components with overlapping channels are advantageously placed on top of one another and connected to one another in a gas-tight manner at least in the region of the first and last webs.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen: The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with schematic drawings. Here show:

Figur 1 ein Bauteil gemäss der Erfindung mit einem Trägerkörper in Form eines flachen Quaders in perspektivischer Frontansicht mit nach oben zeigenden Rinnen, 1 shows a component according to the invention with a carrier body in the form of a flat cuboid in a perspective front view with channels pointing upward,

Figur 2 den Gegenstand der Figur 1 mit auf der Gegenfläche angeordneten Furchen sowie mit einer anderen Verbindungsart der Elektroden und Anschlüsse und nach unten zeigenden Rinnen, FIG. 2 shows the subject of FIG. 1 with furrows arranged on the counter surface and with another type of connection of the electrodes and connections and channels pointing downwards,

Figur 3 den Bereich III der Figur 2 mit einer Ausführungsvariante des elektrischen Anschlusses in grösserem Massstab, 3 shows area III of FIG. 2 with an embodiment variant of the electrical connection on a larger scale,

Figur 4 den Gegenstand der Figur 2 mit auf der Gegenfläche angeordneten Furchen, die von einer Wellung mitgebildet sind, sowie mit einer Ausführungsvariante der Elektroden, FIG. 4 the object of FIG. 2 with furrows arranged on the counter surface, which are also formed by a corrugation, and with an embodiment variant of the electrodes,

Figur 5 ein dem Bereich V der Figur 4 entsprechender Ausschnitt durch ein Bauteil mit abgerundeten Stegen und einer anderen Verbindung der Elektroden und 5 shows a section corresponding to region V of FIG. 4 through a component with rounded webs and another connection of the electrodes and

Figur 6 eine mit Bauteilen gemäss Figur 2 zusammengestellte Batterie. 6 shows a battery assembled with components according to FIG.

Das in Figur 1 dargestellte Bauteil weist einen flachen quaderförmigen Trägerkörper 1 aus einem gasdurchlässigen und elektrisch nichtleitenden Material auf, wie z. B. Magnesiumoxid oder Zirkon-Kalziumoxid. Die obere grosse Begrenzungsfläche 2 weist drei Rinnen 3,4,5 auf, die die eine schmale Stirnseite 6 des Trägerkörpers mit der gegenüberliegenden Stirnseite verbinden. The component shown in Figure 1 has a flat cuboid carrier body 1 made of a gas-permeable and electrically non-conductive material, such as. B. magnesium oxide or zirconium calcium oxide. The upper large boundary surface 2 has three grooves 3, 4, 5, which connect the one narrow end face 6 of the carrier body to the opposite end face.

Die Rinnen sind hierbei gerade ausgebildet, verlaufen parallel zu der Seitenfläche 7 und weisen untereinander jeweils gleichen Abstand auf. Die Querschnitte der Rinnen 3 bis 5 sind untereinander gleich und halbkreisförmig und ihr Radius ist so gewählt, dass zwischen Rinnengrund und der Gegenfläche 9 des Trägerkörpers eine ausreichende Festigkeit des Bauteils gewährleistende Materialstärke bestehen bleibt. Die zwischen den Rinnen verbleibenden Stege 10 bzw. die Stege 11, welche die erste Rinne 3 bzw. die letzte Rinne 5 nach aussen begrenzen, sind in ihrer Stärke nur mit Rücksicht auf die Festigkeit des Trägerkörpers sowie mit Rücksicht auf den sicheren elektrischen Anschluss der Elektroden ausgelegt, d. h. der Trägerkörper wird mit möglichst vielen Rinnen versehen. Die Seitenlänge eines Trägerkörpers beträgt je nach Radius der Rinnen etwa 5 The channels are straight, run parallel to the side surface 7 and are at the same distance from each other. The cross sections of the channels 3 to 5 are identical to one another and semicircular, and their radius is selected so that between the channel base and the counter surface 9 of the carrier body, material strength ensuring sufficient strength of the component remains. The webs 10 or webs 11 remaining between the gutters, which delimit the first gutter 3 or the last gutter 5 to the outside, are of a thickness only with regard to the strength of the support body and with regard to the safe electrical connection of the electrodes designed, d. H. the carrier body is provided with as many channels as possible. The side length of a carrier body is approximately 5, depending on the radius of the channels

cm bis 100 cm. Auf den Wänden der Rinnen 3 bis 5, die vorzugsweise einen Radius zwischen 1 und 25 mm aufweisen, ist zunächst jeweils eine Elektrode 12 aufgebracht, die jeweils wiederum mit dem Elektrolyten 13 aus einem sauerstoffionen-leitenden Material, wie z. B. dotiertem Zirkonoxid versehen ist, welches jeweils die gegenpolige Elektrode 14 trägt. Die Elektroden sind hierbei durch den Festelektrolyten getrennt. cm to 100 cm. On the walls of the troughs 3 to 5, which preferably have a radius between 1 and 25 mm, an electrode 12 is first applied in each case, which in turn is in each case connected to the electrolyte 13 made of an oxygen-ion-conducting material such as B. is doped zirconium oxide, which carries the opposite pole electrode 14. The electrodes are separated by the solid electrolyte.

Jene Elektroden, die während des Betriebs mit Luft bzw. Sauerstoff beaufschlagt werden, bezeichnet man auch als Luftelektroden bzw. Sauerstoffelektroden zur Unterscheidung gegenüber den Elektroden, die mit dem Brennstoff in Berührung kommen. Auf den Rinnen des Bauteils sind vorzugsweise die Luft- bzw. Sauerstoffelektroden direkt aufgebracht, denn hierdurch wird beim Einsatz des Bauteils eine einfache Luftbzw. Sauerstoffversorgung vom Aufstellungsraum durch den Trägerkörper zu diesen Elektroden erreicht. Those electrodes that are exposed to air or oxygen during operation are also referred to as air electrodes or oxygen electrodes to distinguish them from the electrodes that come into contact with the fuel. The air or oxygen electrodes are preferably applied directly to the grooves of the component, because this results in a simple air or air flow when the component is used. Oxygen supply from the installation room through the support body to these electrodes.

Auf den Oberflächen der Stege 10,11 ist jeweils ein elektrischer Leiter 15,16 aufgebracht, welcher sich jeweils über die gesamte Oberfläche erstreckt. An electrical conductor 15, 16 is applied to the surfaces of the webs 10, 11 and extends over the entire surface.

Wie in Figur 1 weiter dargestellt, sind jeweils gegenpolige Elektroden benachbarter Rinnen mit ihren seitlichen Enden 17, 18 bis zur halben Breite des elektrischen Leiters 15 geführt, wo sie aneinander stossen. Da diese Enden 17,18 unmittelbar auf dem Leiter 15 verlaufen und sich über die gesamte axiale Länge der Rinnen erstrecken, ist eine überlappte elektrische Verbindung der gegenpoligen Elektroden entstanden. As further shown in FIG. 1, opposite-polar electrodes of adjacent channels are guided with their lateral ends 17, 18 up to half the width of the electrical conductor 15, where they abut one another. Since these ends 17, 18 run directly on the conductor 15 and extend over the entire axial length of the channels, an overlapped electrical connection of the opposite-pole electrodes has arisen.

Die zur Stromabfuhr dienenden elektrischen Anschlüsse 19 bestehen gemäss Figur 1 aus dünnen Metallstreifen, die sich über die gesamte axiale Länge der Rinnen erstrecken. Für den Anschluss an die jeweiligen Elektroden sind diese Streifen auf den Leitern 16 bis etwa zur halben Breite der Stege 11 geführt, wo sie an die verlängerten seitlichen Enden der Elektroden stossen, d. h. die Verbindung zwischen den Anschlüssen 19 und den Elek troden ist hier genauso ausgebildet, wie die Verbindung gegenpoliger Elektroden bei benachbarten Rinnen. According to FIG. 1, the electrical connections 19 used for current dissipation consist of thin metal strips which extend over the entire axial length of the channels. For the connection to the respective electrodes, these strips are guided on the conductors 16 up to approximately half the width of the webs 11, where they abut the elongated lateral ends of the electrodes, i. H. the connection between the connections 19 and the electrodes is formed here in exactly the same way as the connection of opposite-pole electrodes in the case of adjacent channels.

Um Kurzschlüsse zu vermeiden, ist jeweils zwischen dem linken Ende der Elektroden 12 und dem elektrischen Leiter 15, 16 ein Sicherheitsabstand 20 eingehalten, der vom Elektrolyten 13 ausgefüllt ist. In order to avoid short circuits, a safety distance 20 is maintained between the left end of the electrodes 12 and the electrical conductor 15, 16, which is filled by the electrolyte 13.

Die elektrischen Leiter 15,16 bestehen im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 aus gasdicht gesintertem Lathan-Mangan-oxid oder Lathan-Chromoxid, welche mit Strontium dotiert sind und einen Zusatz von Wismutoxid aufweisen. Ist der elektrische Leiter nicht gasdicht ausführbar, so muss jeweils die Oberfläche der Stege 10,11 gasdicht ausgeführt sein, z. B. durch Sintern oder Glasieren, um zu vermeiden, dass die jeweils einer Elektrode zugeordneten Reaktanden mit der Gegenelektrode in Berührung kommen. Dies ist insbesondere für Nickel-Elektroden von Bedeutung, die gegen Sauerstoff enthaltende Gase sehr empfindlich sind bei hohen Temperaturen. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the electrical conductors 15, 16 consist of gas-tight sintered lathan manganese oxide or lathan chromium oxide, which are doped with strontium and have an addition of bismuth oxide. If the electrical conductor is not gas-tight, the surface of the webs 10, 11 must be gas-tight, e.g. B. by sintering or glazing in order to avoid that the reactants assigned to each electrode come into contact with the counter electrode. This is particularly important for nickel electrodes, which are very sensitive to gases containing oxygen at high temperatures.

Sind die Leiter aus Nickel oder einer Nickellegierung hergestellt und sauerstoff- oder luftberührt, so müssen diese Leiter bereichsweise einer Wasserstoff- und/oder einer, wenigstens eine gasförmige, wasserstoffhaltige Verbindung enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt sein. Der Wasserstoff diffundiert in der Nickel bzw. Nickellegierung und schützt so vor Korrosion bei hohen Temperaturen. Eine zusätzliche besondere Zufuhr solcher Gase aus Gründen des Korrosionsschutzes ist nicht erforderlich, wenn gewährleistet ist, dass die zugeführten Brenngase wasserstoffhaltig sind und die Nickelteile berühren. If the conductors are made of nickel or a nickel alloy and are in contact with oxygen or air, then these conductors must be exposed in regions to an atmosphere containing hydrogen and / or an atmosphere containing at least one gaseous, hydrogen-containing compound. The hydrogen diffuses in the nickel or nickel alloy and thus protects against corrosion at high temperatures. An additional special supply of such gases for reasons of corrosion protection is not necessary if it is ensured that the fuel gases supplied contain hydrogen and touch the nickel parts.

Der Trägerkörper 1 ist im Pressverfahren hergestellt und die Elektroden und Elektrolyte sind mit Hilfe von Dünnschichtverfahren, wie Plasma-Spritzverfahren oder CVD-Verfahren (che-mical vapor Déposition-Verfahren), nacheinander auf die Wände der Rinnen aufgebracht. Mit den gleichen Verfahren sind auch die Leiter 15,16 auf den Oberflächen der Stege 10,11 angeordnet worden, falls diese aus Elektrodenmaterial beste5 The carrier body 1 is produced in the pressing process and the electrodes and electrolytes are applied successively to the walls of the channels using thin-film processes such as plasma spraying processes or CVD processes (chemical vapor deposition processes). The conductors 15, 16 have also been arranged on the surfaces of the webs 10, 11 using the same methods, if these consist of electrode material5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

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hen. Die Anschlüsse 19 sind z. B. durch Schweissverfahren oder Sinterverfahren an den Leitern 16 befestigt. hen. The connections 19 are e.g. B. attached to the conductors 16 by welding or sintering.

Die in Figur 2 mit nach unten zeigenden Rinnen dargestellte Ausführungsvariante einen Bauteils weist im Prinzip den gleichen Aufbau wie das Bauteil gemäss Figur 1 auf. Unterschiede bestehen hier jedoch bezüglich der elektrischen Serienschaltung gegenpoliger Elektroden und der Ausbildung des Trägerkörpers 1. Der Trägerkörper weist hier zusätzlich Furchen 37 von V-förmigem Querschnitt auf, welche die Gegenfläche 9 mitbilden und in den Trägerkörper eindringen. Die Längsachsen dieser Furchen laufen parallel zu den Rinnen und verbinden die schmale Stirnseite 6 mit der gegenüberliegenden Stirnseite. Die Spitzen dieser Furchen enden jeweils mit einem solchen Abstand vor dem Leiter 35, dass ein genügender mechanischer Zusammenhalt des Trägerkörpers aufrechterhalten bleibt. Die maximal zulässige vertikale Verbreiterung des Querschnitts der Furchen ist ebenfalls durch die Festigkeit des verbleibenden Trägermaterials bestimmt. Der Querschnitt der Furchen ist symmetrisch zu einer vertikalen durch die Spitze der Furche gehenden Ebene 21, die den Abstand der Rinnen halbiert und die als strichpunktierte Linie angedeutet ist. Der Zweck dieser Furchen besteht darin, den für die Elektroden 12 bestimmten Reaktanden nur auf kurzem Wege durch das poröse Bauteil führen zu müssen. Aus dem gleichen Grund sind auch die Seitenflächen 7 abgeschrägt. The embodiment variant of a component shown in FIG. 2 with the channels pointing downward has in principle the same structure as the component according to FIG. 1. However, there are differences here with regard to the electrical series connection of opposite-pole electrodes and the design of the carrier body 1. The carrier body here additionally has grooves 37 of V-shaped cross section, which also form the counter surface 9 and penetrate into the carrier body. The longitudinal axes of these furrows run parallel to the channels and connect the narrow end face 6 to the opposite end face. The tips of these furrows each end with a distance in front of the conductor 35 that sufficient mechanical cohesion of the carrier body is maintained. The maximum permissible vertical broadening of the cross section of the furrows is also determined by the strength of the remaining carrier material. The cross section of the furrows is symmetrical to a vertical plane 21 which passes through the tip of the furrow and which bisects the spacing of the grooves and which is indicated as a dash-dotted line. The purpose of these furrows is to only have to lead the reactants intended for the electrodes 12 through the porous component over a short distance. For the same reason, the side surfaces 7 are chamfered.

Die elektrischen Leiter 35,36, welche in ihrer Ausbildung etwa den Leitern gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 entsprechen, sind an gegenpolige Elektroden 12,14 stumpf angeschlossen. Auf die gleiche Art sind die Elektroden 12 und 14 der ersten und letzten Rinne 3 bzw. 5 mit den Anschlüssen 39 verbunden, die entsprechend den Anschlüssen gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ausgebildet sind. Die Dicke der Leiter ist hierbei so ausgeführt, dass eine leichte Verbindung mit den Elektroden bzw. Anschlüssen möglich ist. The electrical conductors 35, 36, which correspond approximately in their design to the conductors according to the exemplary embodiment according to FIG. 1, are butt-connected to electrodes 12, 14 with opposite polarity. In the same way, the electrodes 12 and 14 of the first and last troughs 3 and 5 are connected to the connections 39, which are designed corresponding to the connections according to the exemplary embodiment according to FIG. The thickness of the conductors is designed so that an easy connection to the electrodes or connections is possible.

In Figur 3 ist eine Einzelheit gemäss III der Figur 2 in grösserem Massstab und in einer Ausführungsvariante bezüglich des Anschlusses 39 dargestellt. Zur Bildung des Anschlusses ist jeweils der Leiter 36 nach aussen geführt und erstreckt sich mit seinem Endbereich 38 über einen Teil der Seitenfläche 7 und bildet so den elektrischen Anschluss. Diese Ausführungsform des elektrischen Anschlusses ist selbstverständlich auch bei den anderen hier gezeigten Ausführungsbeispielen anwendbar. FIG. 3 shows a detail according to III of FIG. 2 on a larger scale and in an embodiment variant with regard to the connection 39. To form the connection, the conductor 36 is led outwards and extends with its end region 38 over part of the side surface 7 and thus forms the electrical connection. This embodiment of the electrical connection can of course also be used in the other exemplary embodiments shown here.

Die Ausführungsvariante gemäss Figur 4 entspricht in ihrem prinzipiellen Aufbau dem Bauteil gemäss Figur 2, ein Unterschied besteht darin, dass die oberen Kanten der Furchen abgerundet sind, so dass die Gegenfläche 9 das in Figur 4 dargestellte Wellenprofil enthält und jeweils ein Wellental 24 eine Furche 37 bildet. Die Elektroden 42 und 44 enthalten hier mit Strontium dotiertes Lanthan-Manganoxid mit einem Zusatz von Wismutoxid. Da dieses Material gegen oxydierende und reduzierende Atmosphäre beständig ist, können die damit hergestellten Elektroden wahlweise als Anode oder Kathode eingesetzt werden, es ist daher gleichgültig, ob man das Brenngas der Elektrode 42 oder 44 zuführt. Der Zusatz von Wismutoxid (Bi203) erleichtert das Verarbeiten des Materials und erhöht seine Haftfähigkeit. Bei der Anwendung dieses Materials ergibt sich darüber hinaus noch der Vorteil, dass mit ihm auch die elektrischen Leiter 45,46 hergestellt werden können, welche die Stege 40 überbrücken. Wie aus Figur 4 zu ersehen, sind gegenpolige Elektroden benachbarter Zellen zusammen mit den The basic design of the embodiment variant according to FIG. 4 corresponds to the component according to FIG. 2, a difference is that the upper edges of the furrows are rounded off, so that the counter surface 9 contains the wave profile shown in FIG. 4 and one wave trough 24 has a furrow 37 forms. The electrodes 42 and 44 contain strontium-doped lanthanum-manganese oxide with an addition of bismuth oxide. Since this material is resistant to an oxidizing and reducing atmosphere, the electrodes produced with it can be used either as an anode or a cathode. It is therefore irrelevant whether the fuel gas is supplied to electrode 42 or 44. The addition of bismuth oxide (Bi203) facilitates the processing of the material and increases its adhesiveness. When this material is used, there is also the advantage that it can also be used to produce the electrical conductors 45, 46 which bridge the webs 40. As can be seen from FIG. 4, opposite-pole electrodes of adjacent cells are together with the

Leitern 45 aus einem Stück und aus dem gleichen Material hergestellt. Die Elektroden 42 und 44 der ersten und letzten Rinne 3 bzw. 5 sind zusammen mit den Leitern 46 ebenfalls einstückig hergestellt und die Anschlüsse 49 entsprechend Figur 3 ausgebildet. Um Verluste an Reaktanden zu vermeiden, sind auch hier die Leiter 45,46 gasdicht gemacht oder der Trägerkörper im Bereich dieser Leiter (Stege) gasdicht gesintert. Ladders 45 made from one piece and from the same material. The electrodes 42 and 44 of the first and last troughs 3 and 5 are also made in one piece together with the conductors 46 and the connections 49 are formed in accordance with FIG. 3. In order to avoid losses of reactants, the conductors 45, 46 are made gas-tight or the carrier body is sintered gas-tight in the area of these conductors (webs).

Das vorgenannte Material für die Elektroden bzw. Leiter wird folgendermassen hergestellt: Lanthanoxid, Manganoxid m bzw. Chromoxid und Strontiumoxid oder Strontiumkarbonat werden gemahlen und in den Verhältnissen, die in den Ansprüchen 18 bzw. 19 angegeben sind, gemischt und etwa 10 % Wismutoxid (Bi203), bezogen auf das Gewicht der Mischung, zugegeben und erneut gemischt. Nach etwa 5- bis 10-stündigem i5 Erhitzen in Luft auf etwa 1500° C wird das Gemisch abgekühlt, wobei es erstarrt. Der Anteil von Bi203 ist durch das Erhitzen auf etwa 2 % abgesunken. Nach dem Mahlen und Sieben nach Korngrösse ist das Material für die Elektroden gebrauchsfertig. Das Aufbringen dieses Materials auf den Elektrolyten zur Bil-2(i dung der Elektroden geschieht in bekannter Weise z. B. durch Plasmaspritzen oder Aufsintern. Hierbei sinkt der Anteil von Bi203 weiter ab auf Werte zwischen 0,1 und 1 %. The aforementioned material for the electrodes or conductors is produced as follows: lanthanum oxide, manganese oxide or chromium oxide and strontium oxide or strontium carbonate are ground and mixed in the proportions specified in claims 18 and 19, respectively, and about 10% bismuth oxide (Bi203 ), based on the weight of the mixture, added and mixed again. After heating for 5 to 10 hours in air at about 1500 ° C., the mixture is cooled and solidifies. The proportion of Bi203 has dropped to about 2% due to the heating. After grinding and sieving according to grain size, the material for the electrodes is ready for use. This material is applied to the electrolyte to form the electrodes in a known manner, for example by plasma spraying or sintering. The proportion of Bi203 drops further here to values between 0.1 and 1%.

In Figur 5 ist ein Ausschnitt eines Bauteils gezeigt, der dem umrandeten Bereich V der Figur 4 entspricht, jedoch eine 25 andere Ausbildung des Steges 50 und der Elektrodenverbindung zeigt. Die Kanten des Steges 50 sind hier abgerundet, so dass die Begrenzungsfläche 2 ein Wellenprofil erhält. Eine solche Ausbildung kann ebenso vorteilhaft auf alle anderen Ausführungsbeispiele übertragen werden. FIG. 5 shows a section of a component that corresponds to the bordered area V of FIG. 4, but shows a different design of the web 50 and the electrode connection. The edges of the web 50 are rounded here, so that the boundary surface 2 receives a wave profile. Such a design can also be advantageously applied to all other exemplary embodiments.

m Die Elektroden 52, welche vorzugsweise für die Beaufschlagung mit Sauerstoff bzw. Luft vorgesehen ist, erstreckt sich mit einer seitlichen Verlängerung jeweils über den Steg 50 und bildet den Leiter 55. Der Leiter ist hierbei gasdicht ausgeführt, z. B. durch Aufbringen des Elektrodenmaterials im Plasma-35 Spritzverfahren und Imprägnieren mit einer wässrigen Nitratlösung des betreffenden Elektrodenmaterials. Die Gegenelektrode ist ebenfalls seitlich verlängert und erstreckt sich im Bereich des Steges 50 über die Elektroden 52. Da die Elektrode 52 im Bereich des Steges 50 gasdicht ist, ist die Elektrode 54 40 gegen Korrosion durch den Sauerstoff bzw. Luft geschützt. m The electrodes 52, which are preferably provided for the application of oxygen or air, each extend over the web 50 with a lateral extension and form the conductor 55. B. by applying the electrode material in the plasma-35 spray process and impregnation with an aqueous nitrate solution of the electrode material in question. The counterelectrode is also laterally extended and extends in the area of the web 50 over the electrodes 52. Since the electrode 52 is gas-tight in the area of the web 50, the electrode 54 40 is protected against corrosion by the oxygen or air.

In Figur 6 ist eine mit Bauteilen gemäss Figur 2 zusammengestellte elektrochemische Batterie gezeigt. Hierzu sind zwei Bauteile mit ihren Rinnen so aufeinander befestigt, dass kreisförmige Kanäle 22 entstehen. Hierbei ist es nicht erforderlich, zwischen die elektrischen Leiter 35 des Ober- und Unterteils Dichtmittel einzufügen, da ein eventuell hier zwischen den beiden Bauteilen verbleibender Spalt auf beiden Seiten in die Kanäle 22 mündet, die jeweils die gleichen Reaktanden führen. Wesentlich ist lediglich eine gasdichte Verbindung der beiden Bauteile im Bereich der Leiter 36 um den Austritt des Reaktanden zum Aussenraum 23 zu vermeiden. FIG. 6 shows an electrochemical battery assembled with components according to FIG. 2. For this purpose, two components are attached to one another with their channels in such a way that circular channels 22 are formed. It is not necessary here to insert sealant between the electrical conductors 35 of the upper and lower part, since a gap that may remain between the two components opens into the channels 22 on both sides, which each carry the same reactants. All that is essential is a gas-tight connection of the two components in the area of the conductors 36 in order to prevent the reactant from escaping to the outer space 23.

Beim Zusammenbau der einzelnen Bauteile ist ferner darauf zu achten, dass nur gleichnamige Spannungen führende 55 Leiter aufeinander zu liegen kommen, so dass gleichnamige Elektroden eines Kanals 22 parallelgeschaltet sind und jeweils eine Zelle der Batterie bilden. When assembling the individual components, care must also be taken to ensure that only 55 conductors carrying the same name come to lie on top of one another, so that electrodes of the same name of a channel 22 are connected in parallel and each form a cell of the battery.

In Figur 6 sind die Bauteile der Übersicht wegen mit geringem Abstand dargestellt, für den Einsatz müssen diese jedoch in 60 der vorgenannten Weise aufeinander befestigt sein. In FIG. 6, the components are shown at a short distance for the sake of clarity, but for use they must be fastened to one another in the aforementioned manner.

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

617 293

PATENT CLAIMS

1. Component for an electrochemical battery, the cells of which have flat electrodes (12, 14; 12, 44; 52, 54) which are each separated by an ion-conducting solid electrolyte (13; 43) and electrically connected in series, characterized by a gas-permeable one , electrically nonconductive carrier body (1) with at least one boundary surface (2) which has spaced-apart, open-ended grooves (3, 4, 5), aqf which the electrolytes (13; 43) and electrodes (12, 14 ; 42,44; 52,54) are arranged in the form of layers, opposite-pole electrodes of adjacent grooves and the free electrodes of the first and last groove (3,5) with electrical conductors (15,16; 35,36; 45,46 ; 55), which bridge the channels (10, 11; 30, 31; 40; 50) that delimit the grooves on the long side, are connected to one another or to electrical connections (19; 39; 49).

2. Component according to claim 1, characterized in that the channels (3, 4, 5) are formed in a cover surface of the support body (1) which has approximately the shape of a rectangular plate.

3. Component according to claim 1 or 2, characterized in that the approximately semicircular in cross-section and mutually identical channels (3,4,5) with their straight longitudinal axes parallel and with the same mutual distance and parallel to a side surface (7) of the support body are arranged.

4. Component according to claim 3, characterized in that the webs (50) which delimit the grooves on the long side are rounded on their longitudinal edges in such a way that the boundary surface (2) has a wavy profile.

5. Component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the opposing surface (9) opposite the boundary surface (2) has straight furrows (37) which are in the carrier body (1) up to the vicinity of the grooves (3 to 5 ) extend.

6. Component according to claim 5, characterized in that the straight furrows (37) are arranged symmetrically to a respective vertical plane (21) bisecting the distance between two channels (3, 4, 5, 5), run parallel to the channels and extend up to extend the vicinity of the boundary surface (2).

7. Component according to claim 6, characterized in that the counter surface (9) has a wave profile, the troughs (24) of which form the furrows (37).

8. Component according to one of claims 1 to 7, characterized in that in each case those electrodes (12, 42, 52) which are provided for the application of air or oxygen are arranged directly on the channels (3 to 5).

9. Component according to one of claims 1 to 8, characterized in that the conductors (15, 16; 35, 36; 45, 46; 55) are arranged on the webs (10, 11; 30, 31; 40; 50) .

10. The component according to claim 9, characterized in that the conductors are gas-tight.

11. The component according to claim 9, characterized in that the conductors are gas-permeable and the webs in the region of the conductors are designed to be gas-tight, for. B. by sealing sintering or glazing.

12. Component according to one of claims 9 to 11, characterized in that on the conductors (15) each have a transverse extension to the grooves (3 to 5), lateral extension (17, 18) of the electrodes approximately up to half the width of the conductor (15) is guided and abuts the opposite pole electrode of the adjacent channel.

13. Component according to one of claims 9 to 11, characterized in that the lateral ends of the conductors (35) are butt-connected to an electrode of adjacent grooves (3 to 5).

14. Component according to claim 12 or 13, for the oxidation of a hydrogen and / or at least one gaseous, water-

Fuel gas containing compound, characterized in that the conductors consist of nickel or a nickel alloy and have the shape of a film or an evaporated layer.

5 15. Component according to claim 10 with a nickel-containing fuel electrode, characterized in that the conductors (55) are each formed by a lateral extension of the electrodes (52) and covered by lateral extensions of the electrodes (54) of the neighboring cells.

16 component according to one of claims 9 to 13, characterized in that the conductors consist of a material which is resistant to a reducing and oxidizing atmosphere.

17. The component as claimed in one of claims 1 to 8, characterized in that the electrodes (42, 44) and the conductors 15 (45, 46) consist of a material which is resistant to an oxidizing and reducing atmosphere and electrodes of adjacent grooves (3 to 5) which have opposite poles ) are formed in one piece together with the conductors (45) applied to the webs.

2u 18. Component according to claim 16 or 17, characterized in that a 0.1 to 1% Bi203-containing material of the formula for the electrodes or conductors

La ^ Mey1 Meir03

25th

is used, where La Lathan, Me1 strontium and Me11 mean manganese, nickel or chromium and x has the values 0.74 to 0.92, y has the values 0.08 to 0.26.

19. Component according to claim 18, characterized in that m is the values 0.82 to 0.86 and y the values 0.14 to 0.18

having.

20. Component according to one of claims 12 to 15, characterized in that the electrical connection (19, 39) each has a thickness of the connected electrode (12, 14).

.15 or the connected conductor (36), which is matched to the outside and which is made of metal or oxidic electrode material, the length of which corresponds approximately to the length of the grooves (3, 5) and whose contact with the associated electrodes corresponds to the other electrical connections 4 »connections of the component is formed.

21. The component according to claim 20, characterized in that

that the conductor (36, 46) arranged on the first and last web is led outwards and extends over at least part of the side surface (7) of the base body

45 and forms the electrical connection.

- 22. Use of two components according to claim 1, for the construction of an electrochemical battery, characterized in that two components with overlapping grooves (3 to 5) are placed one on top of the other and are gas-tightly connected to one another at least in the region of the first and thus last webs (31).