DE1200397B - Stromabnehmerkontakt fuer scheibenfoermige, poroese Gasdiffusionselektroden in Brennstoffelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIm

Deutsche KL: 21b-14/01

Nummer: 1200 397

Aktenzeichen: A 43326 VI b/21 b

Anmeldetag: 14. Juni 1963

Auslegetag: 9. September 1965

An die Stromabnehmerkontakte für Gasdiffusionselektroden in Brennstoffelementen sind besonders große Anforderungen gestellt, da die Elektrodenspannungen sehr klein sind, nämlich im allgemeinen unterhalb 1 V, dagegen aber die abgeleiteten Ströme beträchtliche Werte bis zu einigen 1OA annehmen. Eine weitere Bedingung, die durch die Stromabnehmerkontakte erfüllt werden muß, ist ihre Beständigkeit gegenüber Korrosion, beispielsweise in Kalilauge von 80° C Temperatur und bei Gegenwart von Sauerstoff. Zudem dürfen die Stromabnehmerkontakte nur einen kleinen Teil der Oberflächen der porösen Elektroden bedecken, da andernfalls die elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden beeinträchtigt werden.

Die Einverleibung der Stromableitungen in die Elektroden, beispielsweise dadurch, daß Elektroden mit Anschlußlaschen aus einem Stück hergestellt werden, oder daß in die Elektroden Drähte oder Bleche eingepreßt werden, die gleichzeitig als Stützgerüst ao wirksam sind, ist nur bei sehr großen Elektroden vorteilhaft, da einerseits der Aufwand erheblich ist und anderseits der Einbau und die Auswechselbarkeit der Elektroden erschwert werden. In allen anderen Fällen werden in bekannter Weise entweder flächenhafte oder linienförmige Preßkontakte durch Verwendung von Kontaktblechen, für die Kontaktgebung geeignet geformte Rückwände der Elektrodenhalter, Federvorrichtungen oder Schraub-

Stromabnehmerkontakt für scheibenförmige, poröse Gasdiffusionselektroden in Brennstoffelementen

Anmelder:

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie._; Baden (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. Dr. Heinz-Günther Plust, Spreitenbach;

Dipl.-Chem. Dr. Carl Georg Telschow, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 30. Mai 1963 (6759)

trodenmaterials wie auch des Kontaktmaterials flüssig werden, anzubringen, da hierdurch die poröse Struktur der Elektrode zerstört wird und ihre elektro-

verbindungen vorgesehen. Als Materialien für Kon- 30 chemischen Eigenschaften verschlechtert werden,
takte sind insbesondere Nickelbleche bekannt. Es ist das Ziel der Erfindung, einen Strom-

Es ist nun gefunden worden, daß sich die bekann- abnehmerkontakt für scheibenförmige, poröse Gasten, auf die Oberflächen von beispielsweise Nickel diffusionselektroden in Brennstoffelementen zu schaf- oder Silber enthaltenden, porösen Gasdiffusions- fen, der unabhängig vom Elektrodenmaterial dauernd elektroden gepreßten Stromabnehmerkontakte mit 35 einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweist, der ferder Zeit verschlechtern. Diese sich in einer Zunahme ner leicht in den Elektrodenhalter eingebaut werden des Kontaktwiderstandes äußernde Verschlechterung kann und der ohne großen Aufwand hergestellt werist am größten bei Elektroden, die aus Silber oder den kann.

aus einem Material, dem Silber zulegiert ist, be- Der Stromabnehmerkontakt ist gekennzeichnet

stehen. Die Verschlechterung verhindert bei der Ver- 40 durch einen Metallring, dessen Profil über den ganwendung einer solchen Elektrode als Sauerstoff- zen Umfang eine gegen die Elektrodenoberfläche geelektrode eine größere Stromentnahme. Aber auch richtete und mit dieser kaltverschweißte Schneide bei Elektroden, die mit Nickel als Ausgangsmaterial aufweist, deren Durchmesser angenähert gleich dem hergestellt sind, zeigt sich nach längerer Betriebs- Durchmesser der Elektrode ist und die aus dem gleidauer eine Zunahme des Kontaktwiderstandes, was 45 chen Metall wie dasjenige der Elektrode oder aus sich bei gleicher Stromentnahme als zusätzliche einem Metall besteht, das mit dem Metall der Elek-Polarisation äußert und dementsprechend zu einer trode eine Legierung bildet.

Erniedrigung der Klemmenspannung des Brennstoff- An Hand der Zeichnungen sollen im folgenden

elementes führt. einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrie-

Schließlich ist es nicht möglich, die Strom- 50 ben und ihre Wirkungsweise näher erläutert werden, abnehmerkontakte durch ein Löt- oder Schweiß- F i g. 1 und 2 zeigen im Schnitt zwei Ausführungs-

yerfahren, bei welchen größere Bereiche des Elek- formen des Stromabnehmerkontaktes.

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In F i g. 3 und 4 sind schematisch und vergrößert elektrode von 40 mm Durchmesser und einer Dicke die Verhältnisse an den Kontaktstellen für einen mit von 2,5 mm mittels eines aufschraubbaren Gegen-Druck an die Elektrode anliegenden, bekannten Stückes, das mit 1 ... 10 kgm angezogen wird, geStromabnehmer bzw. für einen gemäß der Erfindung preßt. Im Falle einer Silberelektrode wird der Ring angebrachten Kontakt gezeigt. 5 galvanisch versilbert und auf die poröse Oberfläche

Fig. 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Silberelektrode gepreßt.

von Stromabnehmerkontakten zusammen mit dem Die Verhältnisse an den Kontaktstellen zwischen

Elektrodenhalter und der Gaszuführung. einem Metallteil und der Oberfläche einer porösen

In F i g. 1 ist mit 1 der Metallring bezeichnet, der Elektrode eines Brennstoffelementes sind wesentlich zusammen mit der scheibenförmigen, porösen Gas- io komplizierter als an den Kontaktstellen zwischen zwei diffusionselektrode 3 im Schnitt gezeigt ist. Der üblichen Metallflächen. Es ist bekannt, daß Oxyd-Metallring 1 weist eine Schneide 2 auf, die mit der schichten auf zwei Metallen den elektrischen Kontakt Oberfläche der Elektrode 3 kaltverschweißt ist. zwischen den beidei Flächen ungünstig beeinflussen.

In F i g. 2 ist eine andere Ausführungsform des Um eine Vergrößerung des Kontaktwiderstandes zu Metallringes 1 gezeigt, bei welchem die mit der Ober- 15 vermeiden, entfernt man entweder vor dem Anfläche der Elektrode 3 kaltverschweißte Schneide 2 bringen des Kontaktes die Oxydschichten oder man eine breitere Basis aufweist, wodurch der Ring eine formt das härtere der beiden Metalle derart, daß größere Festigkeit erlangt. Zudem ist der Ring mit beim Anbringen des Kontaktes durch den ausgeübten einer Lasche 4 zum Abführen des Stromes versehen. Druck die Oxydschicht auf dem weicheren Metall Diese Lasche ist auf dem Ring beispielsweise durch 20 durchstoßen wird und der reine Metallkontakt gePunktschweißen befestigt. bildet wird. Dieser kann sich im Laufe der Zeit nur

Die Kaltverschweißung der Schneide 2 des Metall- verschlechtern, wenn bei Gegenwart von Feuchtig-

ringes 1 mit der Oberfläche der Elektrode 3 wird keit eine elektrochemische Korrosion eintritt, femer

durch Aufpressen des Ringes auf die Elektrode er- wenn bei höheren Temperaturen durch Diffusion

reicht. Infolge der scharfen Kante der Schneide ent- 25 oder Festkörperreaktion zwischen den beiden Metal-

steht beim Pressen ein sehr großer Flächendruck, der len schlechtleitende Phasen oder Verbindungen ge-

das Ineinanderfließen des Metalls des Ringes und des bildet werden oder wenn infolge unterschiedlicher

Elektrodenmetalls bewirkt. Da die Schneide über den thermischer Ausdehnung der Metalle die umgebende

ganzen Umfang des Ringes verläuft, der zudem an- Atmosphäre zwischen die Metalle gelangen kann und

genähert den gleichen Durchmesser wie die Elektrode 30 auf diesen durch irreversible Reaktion isolierende

hat, ist die gesamte Kontaktfläche zur Überleitung Schichten bildet.

auch eines hohen Stromes ausreichend. Das Auf- Hiervon unterscheiden sich die Verhältnisse beim pressen des Ringes auf die Elektrodenoberfläche Anbringen von Kontakten an den porösen Gaskann vor dem Einbau der Elektrode in den Elek- diffusionselektroden in Brennstoffelementen wesenttrodenhalter vorgenommen werden. Der Ring kann 35 lieh, und zwar deshalb, weil die Elektroden stark jedoch auch nach dem gemeinsamen Einlegen mit porös sind und die inneren Oberflächen der Elekder Elektrode in den Halter beispielsweise durch Zu- troden mit dem elektrochemischen Stoffumsatz in sammenschrauben des Elektrodenhalters an die Elek- Wechselwirkung stehen. Mittels der Fi g. 3 und 4 soll trode gepreßt und mit ihr verbunden werden oder, dies am Beispiel einer Silberelektrode, die als Sauerwenn die Elektrode in eine Kunststofform eingepreßt 40 Stoffelektrode in einem Brennstoffelement Verwenwerden soll, im gleichen Arbeitsgang mit der Elek- dung findet, näher erläutert werden,
trode verbunden werden. In F i g. 3 sind schematisch und vergrößert die

Für die Kaltverschweißung des Metallringes mit Verhältnisse an den Kontaktstellen beim Anpressen der Oberfläche der Elektrode sollen die ineinander- eines Nickelbleches an die Oberfläche einer porösen fließenden Metalle entweder die gleichen sein oder 45 Silberelektrode im Schnitt gezeigt. Mit 5 ist das zusammen eine Legierung bilden. Es soll also der Nickelblech bezeichnet, mit 6 die Silberkörner des Ring aus dem gleichen Metall wie die Elektrode sein, Porengerüstes der Elektrode. Das Nickelblech 5 bilbeispielsweise aus Nickel im Falle einer Nickel- det mit den Silberkörnern 6 der Elektrodenoberfläche elektrode oder aus Silber im Falle einer Silber- die Kontaktstellen 7. Der restliche Teil 9 des Nickelelektrode. Es genügt aber auch, wenn die Ober- 50 bleches bildet zusammen mit den Oberflächen 8 von flächenschicht der Schneide aus dem gleichen Metall Silberkörnern die Begrenzungsfläche der Poren 10. wie die Elektrode besteht, während der Grundkörper Die Poren sind mit dem Elektrolyten gefüllt und vom des Ringes aus einem anderen Metall, wie beispiels- Sauerstoff durchströmt. Bis auf die restlichen Nickelweise Stahl, gefertigt sein kann. An Stelle des glei- oberflächen 9, auf denen eine irreversible Nickeloxydchen Metalls wie desjenigen der Elektrode kann 55 bildung während des Betriebes der Elektrode stattfür den Metallring bzw. die Oberflächenschicht der findet, sind die Oberflächen 8 der Silberkörner an Schneide ein Metall Verwendung finden, das mit dem den elektrochemischen Vorgängen der Elektrode be-Elektrodenmetall eine Legierung bildet, also im Falle teiligt. Diese bestehen in einer an sich noch nicht einer Silberelektrode beispielsweise Kadmium. Es hat geklärten, teilweise reversiblen Bildung von Silbersich als zweckmäßig erwiesen, eine zwischen 10 und 60 oxyden. Als Folge der wechselnden Bildung von 100 μ liegende Breite der Schneide vorzusehen. Silberoxyden und deren Abbau dringt die Oxydin einem Beispiel wird ein Metallring aus V2A- schicht auf den Oberflächen 8 der Silberkörner bis Stahl, der ein Profil gemäß F i g. 2 aufweist und an die Kontaktstellen 7 vor und wächst langsam in dessen kreisförmige Schneide einen Durchmesser von diese hinein. Da Silberoxyd schlecht leitend ist, 38 mm und eine Breite von etwa 90 μ aufweist, gal- 65 wächst durch die Bildung der Oxydzwischenschicht vanisch mit einer Nickelschicht von einigen μ Dicke der Widerstand der Kontaktstellen 7.
überzogen. Der Metallring wird hierauf auf die ebene Beim Stromabnehmerkontakt gemäß der Erfindung Oberfläche einer scheibenförmigen, porösen Nickel- ist die Bildung der schädlichen Oxydzwischenschicht

dadurch vermieden, daß der Kontakt nicht durch mechanische Berührung des Stromabnehmers mit der Oberfläche der Elektrode erfolgt, sondern durch eine Kaltverschweißung der beiden Teile. In Fig.4 ist das Ineinanderfließen des Metalls der Schneidell 5 des Stromabnehmers und der Silberkörner 12 der Elektrode gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die Bildung einer Oxydzwischenschicht nicht mehr möglich ist. Gemäß der Erfindung wird die Kaltverschweißung durch Ausbildung des Stromabnehmers als Metallring mit einer gegen die Elektrodenoberfläche gerichteten Schneide erzielt, wobei beide Teile aufeinandergepreßt werden.

In F i g. 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stromabnehmerkontaktes zusammen mit dem Elektrodenhalter und der Gaszuführung gezeigt. Mit 13 ist der Metallring bezeichnet, dessen Schneide mit der Oberfläche der scheibenförmigen, porösen Elektrode 14 kaltverschweißt ist. Der Metallring 13 und die Elektrode 14 sind in ein Kunststoffgehäuse 15 eingepreßt, ao das als Elektrodenhalter dient. Zweckmäßigerweise ist im Metallring 13 eine Bohrung 16 zur Gaszuführung vorgesehen. Das Gas wird durch das in den Metallring eingesetzte und mit diesem beispielsweise verlötete Rohr 17 zugeführt. In dieser Ausführungsform dient der Metallring also nicht bloß als Stromabnehmer, sondern gleichzeitig als Gasdichtung, da er den durch die Rückwand des Elektrodenhalters und die Elektrodenoberfläche begrenzten Gasraum seitlich abschließt. Die Kaltverschweißung der Schneide des Metallringes 13 mit der Oberfläche der Elektrode 14 kann in arbeitssparender Weise gleichzeitig mit dem Einpressen der Teile in das Kunststoffgehäuse 15 erfolgen.

In F i g. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem der mit einer Schneide versehene Metallring 20 Teil der metallischen Rückwand 19 des Elektrodenhalters ist. Die Rückwand 19 ist mit einer Bohrung 21 zur Zuführung des Gases und mit einem Gasstutzen 22 versehen. Die scheibenförmige, poröse Elektrode ist mit 18 bezeichnet. Die Elektrode 18 ist mit einem Ring 23 aus dünnem Blech versehen, in welche sie beispielsweise eingepreßt ist. Die vom

Ring 23 umgebene Elektrode 18 liegt in einem weiteren Ring 24, der beispielsweise durch Schrauben 25 an der Rückwand 19 befestigt ist. Durch das Anziehen der Schrauben 25 wird die Elektrode 18 auf die Schneiden des Metallringes 20 gepreßt und mit diesen kaltverschweißt. Gleichzeitig preßt sich die äußere Seitenfläche der Schneide gegen den Ring 23 und schließt damit den durch die Rückwand 19 und die Oberfläche der Elektrode 18 begrenzten Gasraum gasdicht ab.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Stromabnehmerkontakt für scheibenförmige, poröse Gasdiffusionselektroden in Brennstoffelementen, gekennzeichnet durch einen Metallring, dessen Profil über den ganzen Umfang eine gegen die Elektrodenoberfläche gerichtete und mit dieser kaltverschweißte Schneide aufweist, deren Durchmesser angenähert gleich dem Durchmesser der Elektrode ist und die aus dem gleichen Metall wie dasjenige der Elektrode oder aus einem Metall besteht, das mit dem Metall der Elektrode eine Legierung bildet.

2. Stromabnehmerkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Schneide eine Oberflächenschicht aus dem gleichen Metall wie dasjenige der Elektrode oder aus einem Metall aufweist, das mit dem Metall der Elektrode eine Legierung bildet.

3. Stromabnehmerkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring Teil der metallischen Rückwand des Elektrodenhalters ist.

4. Stromabnehmerkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring den durch die Rückwand des Elektrodenhalters und die Elektrodenoberfläche begrenzten Gasraum seitlich abschließt.

5. Stromabnehmerkontakt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring mit einer Bohrung zur Zuführung des Gases versehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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