DE1496233A1

DE1496233A1 - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1496233A1
Application number: DE19651496233
Authority: DE
Inventors: Bernard Warszawski
Original assignee: Cegelec SA
Current assignee: Cegelec SA
Priority date: 1964-04-10
Filing date: 1965-04-09
Publication date: 1969-05-08
Also published as: FR1399765A; SE307170B; CH425920A; NL6503783A; GB1097428A; BE660003A

Description

Dr. Expl.

^r ■ 1 . K.-Mr. θ2/ο11

! . Brennstoffelement

Bin Brennstoffelement dient damu, die Brennstoffenergie eines Brennstoffes mit Hilfe eines Oxydationsmittels unmittelbar in . elektrische Energie umsuwandeln. Bei einigen der bekannten Brennstoffzellen wird die elektrochemische Oxydation dee Brennstoffes und die elektrochemische Reduktion des Oxydationsmittels unmittelbar ausgeführt. Bei diesen Brenns toffee Ilen, treten jedoch bei niedriger Temperatur Schwierigkeiten beim Betrieb auf, die mit der schlechten kinetischen elektrochemischen Oxydation der meisten ( natürlichen Brennstoffe und der schlechten kinetisehen Reduktion dds Sauerstoffes, dem am häufigsten angewendeten Oxydationsmittel,

in Zusammenhang stehen. Bei hoher Temperatur dagegen tritt eine Vielzahl von Korrosionsvorgangen auf, die das Verhalten der Werkstoffe beeinflusse».

Bei den sogenannten Redoxsellen gelangt der Brennstoff und da· Oxydationsmittel nicht unmittelbar in die Brennstoffseile, «ondern es werden Zwischen^Reduktions-Oxydations-Systeme gebildet, die bessere elektrochemische Eigenschaften als der Brennstoff und das Oxydationsmittel aufweisen*

Jedes Reduktions^Oxydations-Zwischensystem ist in einem Elektrolyten gelöst, der um eine Elektrode eirkuliert, an der die elektrochemische Reaktion stattfindet. Zur Regeneration tritt der Elektrolyt aus der Brennstoffzelle aus und durchläuft einen Regenerator, dem der Brennstoff oder das Oxydationsmittel augeführt

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wird. Hw Brennstoff oder da· Oxydationsmittel geht bei dee Re- j duktions-Oxydationa-Zwisehensyetea eine chemische Reaktion ein, derart ι dafe bei die den der. Oxydationsgrad wiederhergestellt wird, den das System vor der elektrochemischen Reaktion besaes. Dmr Trägerelektrolyt gelangt dann in die Zelle zurück und der Kreis-* lauf beginnt sodann von neuem. Die beiden Trägerelektrolyten, von denen jeder aus einem der ReduktionB°>Oxydations-Systeme besteht, sind innerhalb der Zelle mittels Zwischenscheiben getrennt, die in der Lage sind, die gegenseitige Diffusion der Bestandteile der beiden Systeme au verhindern, wobei diese aber einige der anderen f vorhandenen Ionen passieren lassen, sodass durch Ionenwanderung ein Strom erzielt wird* Die Ionenaustausch-Zwischenmembranen er» geben sahireiche Vorteile, denn deren Selektivität bezüglich des Vorzeichens, der Wertigkeit und der Form der vorhandenen Teilchen bietet zahlreiche Ünterscheidungsmöglichkeiten. Diese Unterscheid dung «wischen den Reduktions°»Oxydations»Systemen und den anderen vorhandenen Ionen wird besonders vereinfacht, wenn für die Re» duktions-Oxydatlons-Systeme organische Bestandteile gewählt wer« den· Bei dieser sogenannten Redoxzelle ermöglicht die Trennung der einzelnen Reaktionen, diese jeweils am günstigsten durchzuführen· Ausserdem ist die Wirkung des Katalysators in der eigentlichen Zelle gering oder sogar nicht notwendig, sodass es ermöglicht wird, unreine industrielle Brennstoffe zu verwenden, bei denen nicht die Gefahr einer Vergiftung oder sogar Verhinderung der elektrochemischen Reaktion zu befürchten ist, wie es beispielsweise bei den elektroden mit gasförmiger Diffusion der Fall ist. Die Redoxzelle

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ermöglicht gleichfalls sehr hohe Stromstärken. ' .

Eine Redoxzelle besteht also mindestens aus der eigentlichen Zelle, die die beiden Elektroden umschliesst und um welche die gegenseitig durch eine halbdurchlässige Zwischenscheibe getrennten TrK-gerelektrolyten der Reduktione-Oxydatitms-Systeme fliesβen. Ferner gehören zu den Redoxzellen zwei Regei&atoren, die durch Leitungen und geeignete Pumpen mit der eigentlichen Zelle in Verbin-* dung stehen, und die es ermöglichen, dass jeder Trägerelektrolyt zwischen einer der Halbzellen und dem entsprechenden Regenerator zirkuliert.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die einen kompakten Aufbau besitzt und bei der ein Reduktions^Qxydations-Zwisehensystem Anwendung findet. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, eine grosse Anzahl von Einzelzellen miteinander zu vereinig gen, ohne dass jede Einzelzelle als selbständige, in einem Behälter untergebrachte Einheit aufgebaut ist. Die einzelnen Zellen stehen durch ein besonderes Netz von zuführenden und abgehenden Leitungen mit den beiden flüssigen Elektrolyten in Verbindung. Dieser kompakte Aufbau getnäss der Erfindung wird durch die Aneinanderreihung einer Anzahl von verschiedenen Einzelteilen in einer sich wiederholenden Folge erreicht. Diese Einzelteile sind derart ausgebildet, dass durch deren Zusammenwirken nach dem Zusammen«· bau die Einselse lie»* _t die Hintereinanderschaltung der Einzelzel·=* lan, das Leitungsnetz; für alls gleichartigen Halbzellen mit einer einzigen Zuführung ixad Abführung und die Reihenschaltung der Einzelteilen entsteht, GemMss der Erfindung wird sine zweipolige

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Elektrode verwendet, dl· au* einem flach·» Uafangsteil und «in·« mittleren Teil be«tent, der «it regelmässigen Erhebungen gleicher Stärk· versehen ist, veleh· «u beiden Seiten der durch den flachen Umfangeteil gegebenen Eben· hervorstehen« Die zweipolige Elelc* trode Ist hierbei gleichseitig die Elektrode Je einer Halbzelle« Dadurch, daee die an Jeder Seit· halbdurchlässigen Zwischenschei"· ben aioh gegenüberliegen, werden zwei schuppenartig gegenseitig ineinandergreifende, Abteilungen gebildet, welche die Abteilungen für den Elektrolyten jeder der betrachteten Halbeellen bilden· Der Abschluss und die Dichtigkeit wird durch einen Hahnen aus Ieo-^f lierstoff gewährleistet, der den Abstand «irischen der halbdurch·* lässigen Scheibe und dem flachen Umfangsteil der Elektrode ausfüllt« Durch geeignet· Wahl der For» und der Verteilung der ausgepressten Erhöhungen können dl· Elektrolyten in einer Richtung, die parallel sur Ebene der Scheibe verläuft, durchfHessen und damit einem gegeneinander gelrichteten Verlauf folgen, der die Verringe«=· rung der Diffusions schichten und Konsentrationspolarisierungen begünstigt. ^;

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Danach setat sich eine EinselBelle in der nachstehenden Reihen» ' folge «usammen: Eine erste Metallscheibe, ein erster Rahmen, eine halbdurchlässige Zwischenscheibe, ein zweiter Rahmen und eine ■weite Metallscheibe, die der ersten gleicht, wobei jede Metall» scheibe auch zur benachbarten Einzelselle gehört« Um den Umlauf der Elektrolyten zwischen den Elektroden zu ermöglichen, sind die als Elektroden und Scheiben dienenden Metallplatten rechteckig ausgebildet und mit vierseitigen Ausnehmungen, einer Länge versehen„

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di· gleich der Seitenlange das Mittleren Τ·ϋ·β ist, welober •benfalls rechteckige Form besitat· Die erst·» aus einen Kunststoff bestehende Scheibe, die an devi Teil ausgeno««en let, der de« «Ä- . leren Teil der Elektrode entspricht, ist einerseits «it. awei Mi* spielsweise senkrechten Ausnehmungen versehen, welch* Mit den ent·· sprechenden Ausnehmungen der Elektroden über e ins time η und andererseits alt Einschnitten airischen jede« waagerechten Rand der Aus-* nehmung und einer Linie, die den äusseren Rindern der waagerechten Ausnehmungen der Elektroden entspricht, wobei der »weite Rahaen mit dem ersteren Übereinstimmt, aber gegenüber diese« u« $o* ua die Längsachse der Zelle verdreht angeordnet ist.. Zwischen diesen genannten Einschnitten befinden sich Zähne, die so ausgeschnitten sind, dass die Durchdringung der Teile in der Mähe der Einschnitte verhindert und das Strömen der Elektrolyten so wenig wie »tf glich benachteiligt wird. Der mittlere Teil jeder Elektrode kann «it de« flachen Teil am Umfang aus einem Stück bestehen oder an die Se» SJl* gebracht sein. Die Stärke des mittleren Teiles der Elektroden ist gleich der Summe der Dicken des flachen Teiles a« Umfang und den beiden benachbarten Rahmen· Die Elektroden der Hue sere n SiHSpI-* zellen be sit ssen einen am flachen Umfangsteil angebrachten Yer« sprung zur Stromabnahme. Jede Oberfläche des Mittleren Teiles der Elektroden kann mit einem Metall über sogen werden, welekes elek·* ■ trochemisch geeigneter ist als das Träger«·tall· fealisssil·· kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung dar flash· Oafa^f·· teil jeder Elektrode mit einer freien, sich nach aussen erstrek« kenden, eine Ktthlfahne bildenden Verlängerung versene* β·1η·

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Anhand dar sahaaui ti sehen Darstellung wird nachfolgend ein Aua^h ftthrungsbeispiel beschrieben, auf das sin die Erfindung jedoch nicht beschrankt. , _t

Fig·! aeigt einen kompakten Aufbau von Brennetoffzellen ge«Iss dar Erfindung alt Roduktions-Qxydations-Zwischensystemen. Fig,2 aaigt in grttsscrea Mäastab als die Fig.l ainen Teil der Elektrode«

Fi^·3 aaigt in gröeseraa Maßstab ala Fig.l ainen Teil des Rahmens gealss einer Abänderung der Ausführung der Zahnausschnitte. · ■■■·■'"

In der Fig.l sind in aufeinanderfolgender Weise die verschiedenen

Einzelteile dargestellt,.aus der eine Einzelzelle besteht. Eine zweipolige Elektrode 1 trennt awai aufeinanderfolgende Binzelaellen ab· Diese Elektrode 1 besteht aus einer rechteckigen Metallfolia· Sie setzt sich aus einem gepressten mittleren Teil 2 uad einem flachen, «it eine« Isolierlack überzogenen Umfangsteil ausaaaan. Ia. flachen Tail dea Umfange β sind zwei waagerechte Ausnahanngan 3 und % und awai senkrechte Ausnehmungen 5 und 6 angebracht. Aa flachen Teil dea Umfangea dar äusseren Elektroden sind Stromabnahaaansätse 7 angeordnet. Der flache Teil am Umfang der •lektrede kann nach aussen verlKngert werden und auf diese Weise Sifte Kahlfahae bilden. Swischen dar Elektrode 1 und einer halbaarakllsslgoa foheibe 0 befindet sich ein Rahmen aus Kunststoff. Diasar faaaaa f 1st alt awei senkrechten Ausnehmungen versehen, die alt dan Ausaahauagan 5 und 6 übereinstimmen. Dessen mittlerer Teil 1» tat «l|i ainar Ausnalsauag versehen, welche der Form des mitt-

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leren Teil·· 2 der Elektrode 1 ent epr loht und ferner «it Au·« ' .

•ehmitten gemäss einem Zahnprofil zwischen Jedem waagerechten Ti·

der Ausnehmung Io und einer Linie, die den Jtusseren Rändern

Ausnehmungen 3 und k «ntspricht. Die·· Zahnaueschnitt· der

, Ausnehmung de· Rahmens 9 verhindern Verformungen der Elektrode 1 •dir der Scheibe 6, welche das Strumen der flüssigen Elektrolyten Über die Elektrode behindern würden· Die halbdurchlässig· Seheibe

' 0 i«t Mit vier, den Ausnehmungen 31 4, 5 und 6 der Elektrode 1 entsprechenden Ausnehmungen versehen· Anschliessend an die Scheibe 8 wird ein Rahmen 11 vorgesehen, der mit dem Rahmen 9 ttberein-•tipnt, »ich aber gegenüber den letzteren in einer um 9o° um die Läng«ach«· der Zelle verdrehten Lage befindet. Eine Elektrode 12* , Welch·, mit der Elektrode 1 übereinstimmt,' bildet den Abschluss dieser Einsielzelle .Nach dem Zusammenbau des Ganzen greifen die Auspressungen der Elektroden in die Ausnehmungen der Rahmen, ein, die zu beiden Seiten angeordnet sind· Die Dicke des mittJa ren Teile· d«r Elektroden ist gleich der Summe der Dicken des flachen Teiles am Umfang und der benachbarten Rahmen.

Eine Reihe von Zellen gemäss der vorliegenden Erfindung enthält eine grosso Anzahl von Einzelzellen, die mit derjenigen, welche zwischen den Elektroden 1 und 12 angeordnet ist, übereinstimmt. Alle Einzelzellen sind zwischen den beiden Halteblöcken 13 und 14 verklemmt« Sind die Zellen zusammengebaut, so wirken die Ausnehmungen derart auamnien, dass zwei waagerechte und zwei senkrechte' Kanäle gebildet werden .Rohr teile 15 und 16 stehen mit den waagerechten Kanälen in Verbindung und gewährleisten den Umlauf des

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Elektrolyten über die »riechen dem Rand des Rahmens 9 der Sieletrade befindlichen Flüche sowie über die ähnlichen Flüchen der anderen Elektroden« Rohrteile 17 und 18 stehen mit den Kanälen in Verbindung und gewährleisten den Umlauf des Elektrolyten über die Flüche der an der Seite des Rahmens 11 angebrachten £lek~ trode sowie über die ähnlichen Flüchen der anderen Elektroden·

Fig*2 neigt in einem grösseren Maßstab als die, Fig.l einen Teil der Elektrode 1· Der mittlere Teil 2 ist hier gemüse einer bevor» äugten AusfUhrungsform der Auepressung dargestellt, die aus einer reselmüssigen Verteilung von konischen Erhebungen gebildet wird? Aus Preis- oder Gewichtesrunden, ferner wegen vereinfachter Her= stellung oder des mechanischen Verhaltens kann es vorteilhaft sein, die zweipolige Elektrode nicht aus einem einzigen Metall herzustellen, sondern das Grundmetall auf allen seinen Flächen mit einer dünnen Schicht des Metalles asu überziehen_t welches vom elek» trochemisehen Standpunkt aus günstig ist· Der mittlere gepresste Teil stellt den wirksamen Teil der Elektrode dar β Er ermöglicht es, die Diffus ions schichten asu verringern, indem er die elektrolytische Flüssigkeit zwingt, einem gewundenen Weg zu folgen und die Bildung eines Wirbeizestandes zu begünstigen· Aussor der elek» trochemischen Funist ion diesen die elektrolytischen Flüssigkeiten als Mittel des Wärmetransports und erlauben auf bequeme Weise den Abtransport der in den einzelnen Zellen freigewordenen Wärme_e

Fig.3 stellt in einem grösseron Maßstab als die Fig_el ®.inesi Teil des Rahmens 9 dar, wobei die Einschnitte geiaäes einer ahge&Hdör =

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ten Ausftthrungsfora ausgeschnitten sind· Die Teil· der Einschnitte ,j welch« in der Htthe der Ausnehmung*** der elektroden angeordnet
sind« sind grosser ale die Teile, welche »riechen den Ausschnitt ten und dem mittleren Teil der Elektroden angeordnet sind« Dieae Art der Aueführung gibt den Ausschnitten und den SEMhnen die Form eines T. Bei einer solchen Reihe von Zellen ergibt sich selbst* tu tig die elektrische Reihenschaltung aller Bitweise Ilen unter '.-den elektrisch besten Bedingungen} ohne dass besondere Verbin«*
düngen herausteilen sind» Es ist von Vorteil, Kussere Elektroden vorzusehen, welche dicker sind als alle-anderen, denn der Gesamtstrom fliest hier parallel asu ihrer mittleren Flüche.

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Claims

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Patentansprüche

1·) Brennstoffelement mur direkten Umsetzung von chemischer in ' elektrische Energie, bestehend aus einer Vielsahl einseiner Brennstoffeellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff« element aus unterschiedliehen, in einer grossen sich wiederholenden Folge von Einzelteilen besteht« die so ausgebildet sind, dass nach dem Zusammenbau durch deren Zusammenwirken der Aufbau der Brennstoffeinzelteilen, das Leitungsnetz für alle gleichwertigen Halbzellen mit einer einzigen Zu- und Abführung und die Reihenschaltung der einzelnen Brennstoffzellen entsteht.

2· Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente gleiche Aussenma0e besetzen*

· Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze lehnet, dass die Elektroden des Brennstoffelementes derart zwei» polig ausgebildet sind, dass/sie gleichzeitig die Elektrode je einer Halbzelle bilden.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, dass das im mittleren Teil der Elektrode befindliche Elektroden» material mit regelmüssigen Erhebungen gleicher Stärke versehen ist und von einem flachen Umfangsteil umrahmt wird.

5· Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum für den Elektrolyten je» der Halbzelle durch an jeder Seite halbdurchlässige gegenüber«

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liegende Zwisohenscheiben gebildet wird.

6V Brennstoffelement nah Anspruch 5t dadurch gekennzeichnet, dass : der Raum für den Elektrolyten aus schuppenartig gegenseitig ineinandergreifenden Abteilungen besteht·

7· Brennstoffelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum für den Elektrolyten durch einen Rahmen aus Kunststoff abgedichtet ist·

8« Brennstoffelement nach Anspruch 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Teil der zweipoligen Elektrode durch ei» mit Auspressungen versehene Metallscheibe gebildet ist·

β Brennstoffelement nach Anspruch 3, 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden und die Metallscheibe gemäss Anspruch 8 rechteckig sind und jeweils vier seitliche Ausnehmungen gleicher Seitenlänge be alt ssen«

Ioe Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der an einer Seite der Elektrode •ngeordZB te Rahmen auf zwei sich gegenüberliegenden Selten mit zwei senkrechten Ausnehmungen versehen ist, die den entsprechenden Ausnehmungen der Elektrode entsprechen und dass die anderen zwei sich gegenüberliegenden Seiten zwischen, dem Rand der Ausnehmung und einer £>inie, die den äusseron Rändern der Ausnehmungen der Elektrode entspricht, mit Einschnitten versehen ist.

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toff element nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, assader an der anderen Seite der Elektrode angeordnete Rahmen gemüse Anspruch Io ausgebildet, jedoch gegenüber diesem ... um 9o° um die Längsachse der Zelle gedreht angeordnet ist.

12. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, da« durch gekennzeichnet, dass der mittlere Teil jeder Elektrode mit einem flachen Umfangsteil aus einem Stück bestoh't.

13· Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder einem der .folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Teil !jeder Elektrode mit einem flachen Umfangsteil verbunden ist»

14· Brennstoffelement nach Anspruch 13« dadurch gekennzeichnet, dass der flache Umfangsteil jeder Elektrode mit einem Isolierlack überzogen ist·

15· Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, da«

durch gekennzeichnet, dass jede Flüche des mittleren Teiles der Elektrode mit einem elektrochemisch geeigneteren Metall als das Grundmetall überzogen ist· ,

16. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, da» durch gekennzeichnet, dass der flache Umfang steil der Elektroden durch einen freien, sich nach aussen erstreckenden, eine Kühlfahne bildenden Teil verlängert ist.

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