DE1571952A1

DE1571952A1 - Brennstoffzellen-Stuetzplattenaufbau

Info

Publication number: DE1571952A1
Application number: DE19661571952
Authority: DE
Inventors: Leonard Ronald James
Original assignee: Allis Chalmers Corp
Current assignee: Allis Chalmers Corp
Priority date: 1965-10-20
Filing date: 1966-10-20
Publication date: 1971-04-08
Also published as: US3445294A; GB1127288A; SE357101B

Description

Dr. MÜLLER-BORE DIPL.-ING. GRALFS DR. MANITZ

-'■·'. PATENTANWÄLTE

20,.Oktober 1966 Bq1/G1 - A 966

Allis-Chalmers Manufacturing Gompany 1126 South 70th'Street, West Allis 14 Wisconsin, U.S.A.

Brennstoffzellen-Stützplattenaufbau

Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen und bezieht sich insbesondere auf Einrichtungen, die verwendet werden, um Reaktionsgas über eine Elektrodenfläche zu verteilen. Die Erfindung betrifft speziell einen verbesserten Brennstoffzellen-Stützplattenaufbau, durch den Gasverteilungsmittel für Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen geschaffen werden, die eine zufriedenstellende Feuchtigkeitssteuerung des Reaktionsgases erzielen. ■ ' ·

Der hier verwendete Ausdruck "Brennstoffzelle" betrifft die bekannten elektrochemischen Vorrichtungen, welche die freie Energie einer chemischen Reaktion direkt in elektrische Energie umwandeln.

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±n einzelnen Brennstoffzellen findet eine Oxydations-HaIbzellenreaktion und eine Reduktions-Halbzellenreaktion an räumlich, getrennten Elektroden statt. Die eine Elektrode, welche als Anode bezeichnet.wird, ist der Ort der Oxydations HaIbzellenreaktion. Ein Reaktionspartner, weicher als Brennstoff bezeichnet wird und mit einem Oxydationsmittel oxydiebar ist, wird der Anode zugeführt und an dieser elektrochemisch oxydiert* Die Oxydation des Brennstoffes setzt Elektronen zur Anode frei. An der anderen Elektrode,, die als Kathode . bezeichnet wird und im Abstand von der Anode durch einen geeigneten Elektrolyten angeordnet ist, findet die andere Halbzellenreaktion gleichzeitig statt. Ein Reaktionspartner, der als Oxydiermittel bezeichnet und in bezug auf den Brennstoff reduzierbar ist, wird der Kathode zugeführt und dort elektrochemisch reduziert. Diese Reaktion nimmt Elektronen von der Kathode auf*-

Diese beiden Halb Zellenreaktionen haben das Ergebnis, dass in der Kathode ein Defizit an Elektronen und in der Anode ein Überschuss vorhanden ist„ Diese Tendenz wird entspannt durch den elektronischen Übergang von Ladung durch einen äusseren Kreis, der die Elektroden verbindet, begleitet von dem ionischen Ladungsübergang durch den Elektrolyten,

In der Praxis werden mehrere einzelne Brennstoffzellen in

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zusammenwirkender elektrischer Verbindung gekoppelt, um den erwünschten Ausgang zu erreichen. Mehrere so geschaltete Zellen sind als Element (module) bekannte. Die Erzeugung von elektrischer Energie wird so lange fortgesetzt, wie Brennstoff und Oxydationsmittel zugeführt werden und überschüssige Produkte, die durch die elektrochemische Oxydations/Äeduktions-Jaeai-ttion gebildet werden, abgeleitet werden.

Es hat sich herausgestellt, dass zur Erzielung besserer Leistung das einer Brennstoffzelle zugeführte Reaktionsgas eine gesteuerte Feuchtigkeit aufweisen muss. Genauer gesagt muss richtig befeuchtetes Reaktionsgas fast mit Wasserdampf gesättigt sein bei der jeweiligen Brennstoffzellenbetriebstemperatur. Dieses xvar schwierig zu erreichen, da&e- die Temperatur des Brennstoff zellenelemeiites (fuel cell module) sehr stark zwischen Anlassen und Abschalten variiert. In der Tat sind sogar vrättrend eines gleichmässigen Betriebes die Temperaturen einzelner Zellen nicht identisch.

Durch eine falsche oder unrichtige Befeuchtung wird der Wasεerausgleich in dem Element durch__e inander gebracht. Durch zu s-tarke' Befeuchtung entstellt eine Kondensation, wodurch sich eine zusätzliche Belastung für das verwendete Wasserabführsystem ergibt. Bei Hichtbefeuchtunr· verdunstet

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V/asser von der Elektrode und- den Elektrolyt-Behältereinrichtungen in dem Bereich um die Einlassöffnung. Bei Spitzenbelastungen kann der Reaktionsgasstrom ausreichend hoch- sein, um Teile der Elektrode völlig auszutrocknen. Selbstverständlich kann keine Brennstoffzellenreaktion an dem Teil der Elektrode eintreten, der vom Elektrolyten-frei liegt.

Es ist bereits "bekannt, das- einströmende Reaktionsgas durch einen Befeuchter zu leiten," der ausserhalb des Brennstoff Zellenelementes angeordnet ist. Dieses hat sich jedoch als nicht zufriedenstellend herausgestellt, da der erreichte Feuchtigkeitspegel nur für einige der einzelnen Zellen richtig ist. Ein weiteres Problem entstand durch Kondensation in den Zuführungsleitungen, die von dem Befeuchter zu den Zellen führen. ,

Es ist auch bereits bekannt, eine Brennstoffzellenstützplatte vorzusehen, die an der einen Seite eine Elektrode trägt und bei der an der anderen Seite Befeuchtungseinrichtungen vorgesehen sind, und das befeuchtete Reaktionsgas von der Befeuchtungsseite der Stützplatte zu der Elektrode durch Einrichtungen zu leiten, die ausserhalb der Stützplatte liegen. Jedoch war auch in diesem Fall der erreichte Feuchtigkeitspegel nicht zufriedenstellend.««^

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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Brennstoffzellen-StützplattenaufbaueB, der gegenüber dem Bekannten den Vorteil hat, dass das Beaktionsgas in einem : -Muster oder einem Verlauf geführt wird, in dem das-Gas im '-· richtigen Ausmaß in Abhängigkeit von den inneren Veränderungen in der Brennstoffzellenbetriebstemperatur befeuchtet wird und dadurch ein Austrocknen der Elektrode ohne Gefahr einer Überbefeuchtung vermieden wird.

Ein Brennstoffzellen-Stützplattenaufbau mit einer Platte, an deren einen Seite eine Brennstoffzellen-Elektrode und an deren anderer Seite eine Befeuchtungs-Kapillarmatrize angebracht sind, und mit einer Gasverteilungseinrichtung an jeder Fläche der Platte, der ein Eeaktionsgas zugeleitet wird, kennzeichnet sich erfindungsgemäss dadurch, dass die Gasverteilungseinrichtung an der anderen Seite der Platte so angeordnet ist, dass sie das Eeaktionsgäs in Berührung nur mit der .Kapillarmatrize leitet, um es zu befeuchten, und dass in der Platte Gasableitungsmittel vorgesehen sind, um das befeuchtete Gas durch die Platte hindurch und in die Gasverteilungseinrichtung auf der einen Seite der Platte zu leiten, um es mit der Elektrode in Berührung zu bringen.

Vorzugsweise weist die Gasverteilungseinrichtung an der 10981 5/OU 7 BADORIGINAL

anderen Seite der Platte wenigstens eine But oder Einkerbung auf, die mit einer Einlassöffnung in Verbindung steht, wobei die Nut oder Einkerbung mit ihrer offenen Seite der Kapillarmatrize gegenüberliegt. Bei einer bevorzugten Anordnung weist" die Gasverteilungseinrichtung mehrere im Abstaü voneinander angeordnete und miteinander verbundene Hüten oder Einkerbungen auf, die" so angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig schneiden.

Weiterhin kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die. Gasverteilungseinrichtung an der einen Seite der Platte wenigstens eine Nut oder Einkerbung aufweist, die mit einer Auslassöffnung in Verbindung steht, wobei die offene Seite der Nut der Elektrode gegenüberliegt. Bei einer bevorzugten Anordnung weist die Gasverteilungseinrichtung an der einen Seite der Platte mehrere im Abstand voneinander angeordnete und miteinander verbundene Nuten oder Einkerbungen auf.

Die Gasableitungseinrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Schlitz in der Stütz- oder Unterlagplatte auf, die mit der Nut oder Einkerbung bzw. den Nuten oder Einkerbungen der Gasverteilungseinrichtungen an jeder Seite der Platte in Verbindung steht. Bei einer bevorzugten Anordnung weist die Gasableitungseinrichtung mehrere Schlitze auf,

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welche die■ Hirten, schneiden, die "bei den Gasverteilungseinrichtungen an der einen Seite der Platte vorgesehen sind.

Durch die Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Zuführen von befeuchtetem Reaktionsgas zu der Elektrode einer Brennstoffzelle geschaffen, "bei dem die Elektrode an der einen Seite einer Stütz- oder Unterlagplatte angebracht ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Heaktionsgas der anderen Seite der Stützplatte zugeführt wird, dass das Gas mit einer Befeuehtungs-Kapillarmatrize in Berührung gebracht wird, die an der anderen Seite zu dessen Befeuchtung angebracht ist, und dass sofort danach das befeuchtete Gas durch die Stützplatte hindurch und in Berührung mit der Elektrode gebracht wird. ■ .

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

-Pig.1 eine Drauf sieht auf eine Seite des erfindungsgemäs-' sen Stützplattenaufbaues, an dem eine Brennstoff-⁵zellenelektrode angebracht ist,

J"ig.2 eine Draufsicht auf die entgegengesetzte Seite der -'^:"^:. in Fig.1 gezeigten Stützplätte, an der eine Wasserentfernungsmatrize angebracht ist, und

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Fig.3 eine Schnittansicht nach HI-III der in Fig.1 gezeigten Platteο

Nach der Zeichnung weist der Stütz- oder uaüb bau 10 eine Platte 11 auf, die aus einem Material besteht, welches gegen eine schädliche chemische Reaktion mit den Brennstoff z'ellenreaktionspartnern, -produkten oder dem Elektrolyten unempfindlich ist. Nach Fig.1 ist an der einen Seite 14· der Platte 11 in geeigneter Weise eine Brennstoff zellen-'' elektrode 12 angebracht. Nach Fig.2 ist an der anderen entgegengesetzten Seite 15 der Platte 11 in geeigneter Weise eine Kapillarmatrize 1J angebracht.

Die Gestaltung und Anordnung des Stützplattenaufbaues wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben. . -

Die Platte 11 ist ein flaches Blech mit zwei Hauptflächen, deren bzw. dessen eine Seite 14 und deren bzw. dessen andere Seite 15 ein zentrales Teil 16 bzw. ein Rahmenteil 17 auf- · weisen. An den beiden äussersten Enden des Rahmenteiles 17 sind die Vorsprünge 18 und 19 vorgesehen, in denen die Löcher 20 und 21 angeordnet sind. Diese Löcher bilden zusammen mit anderen Löchern, z.B. dem Loch 22, die £u- bzw. Ableitung für die Brennstoffzellenreaktionspartner unJ -produkte, wenn

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der Aufbau 10 mit anderen BrennstoffZellenkomponenten kombiniert ist, um ein Element zu bilden*

_Nach Fig.1 ist in dem mittleren oder zentralen ^rüeil 16 der Platte .11 eine Gasverteilungseinrichtung vorgesehen, die bei der vorliegenden Ausführungsform als Gitter 23 dargestellt ist. Das Gitter 23 ist so ausgelegt, dass nur das Gas, welches durch vorherigen Kontakt mit der Kapillarmatrize 13 in geeigneter und richtiger Weise befeuchtet ist, über das Gitter 23 verteilt wird. Um die hauptsächliche Funktion des Gitters 23 zu erfüllen, d.h. ein Netzwerk von Gasverteilungswegen zu schaffen,, ist dieses mit einer Kombination von Schlitzen 24, Nuten oder Einkerbungen 25 und Quernuten bzw. -einkerbungen 26 versehen. In der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Ausdruck "Nuten" auf Vertiefungen in der Platte 11 unterhalb der Flächen 14- und 15, während sich der Ausdruck "Schlitze" auf mehr oder weniger fortlaufende Öffnungen durch die Platte 11 bezieht. Die Schlitze 24 und die ' Nuten oder Einkerbungen 25 verlaufen im wesentlichen parallel zueinander und im wesentlichen nicht parallel zur Richtung des Flusses oder Stromes des Reaktionsgases in den Stützplattenaufbau 11 durch die Einlassöffnung 30·(wie in Fig.3 gezeigt).

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Die querlaufenden Nuten oder Einkerbungen 26 erstrecken sich über den gesamten mittleren Teil 16 zwischen den öffnungen 20 und 21 und schaffen somit zwischen der Einlassöffnung 30 und" der Auslassöffnung 37 einen Weg für das Reaktionsgas quer zur bzw. parallel zur Elektrode 12.

Die Nuten oder Einkerbungen 25 sind zwischen der Einlassöffnung 30 und den Schlitzen 24- angeordnet. Durch diese Ausbildung wird die Berührung des~zuströmenden Gases mit der Elektrode verzögert, bis das Gas richtig befeuchtet ist durch vorhergehenden Kontakt mit der Kapillanaatrize 13.

Das Elektrodenteil 12 kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen. Vorzugsweise besteht es jedoch aus einem porösen Ma'terial, wie z.B. gesintertem Nickel mit einer heterogenen Porosität von etwa 85 %· Falls Nickelelektroden verwendet werden und die Zelle mit einer. Temperatur unterhalb etwa 14-9⁰O (300⁰F) betrieben wird, wird ein geeigneter Katalysator zur Aktivierung des Brennstoffzellenreaktionspartners von der Elektrode 12 getragen..Obgleich viele Katalysatoren bekannt sind, ist bei der dargestellten Elektrode beabsichtigt, Wasserstoff brennstoff zu aktivieren und es wird Platin auf und innerhalb des porösen Elektrodenaufbaues abgelagert. Die Elektrode 12 hat ein kapillares Potential vchq etwa , 0,42 kg/cm² (6 lbs/in²). Das kapillare Potential eines Ma-

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terials ist definiert als der Differentialdruck, der erforderlich ist, eine Flüssigkeit aus seiner grössten Pore herauszudrücken* "

An dem Rahmenteil T? der Platte 11 ist eine Zurückhalteein-, richtung 56 "befestigt, die sich über den Umfang des mittleren Teiles 16 erstreckt» Die Brennstoffzellenelektrode 12 ist an der Fläche 14 der Platte. 11 angebracht und innerhalb der Umgrenzung der Zurückhalteeinrichtung 56 gehalten, so dass sie auf den Gatter 23 ruht. Die Zurückhalteeinrichtung 36, wie z.B. ein flacher Streifen eines gasundurchlässigen Materials, welches vorzugsweise elektrisch nichtleitend ist, weist etwa dieselbe Dicke wie die Elektrode 12 auf. Den ausseren.Umfang der Zurückhalteeinrichtung 36 und die Zuleitungsöffnungen 20,21 und 22 umgibt eine Dichtungseinrichtung 31» um ein Lecken oder einen Leitungsverlust quer zur Zuleitung und eine Vermischung mit Brennstoffzellenreaktionspartnern zu verhindern. ·

Nach Fig.2 ist eine Gasverteilungseinrichtung in Form eines Gitters zwischen den Schlitzen 24 und der Reaktionsgaszuführung durch die Einlassöffnung 30 angeordnet. Das Gitter 28 xtfeist eine Kombination von Hüten oder Einkerbungen 29 auf, die im wesentlichen parallel zueinander und den Schlitzen und nicht parallel zur Richtung des einströmenden Heaktions-

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gases angeordnet sind, und die der verlaufenden Nuten oder Einkerbungen 27· Die Nuten oder Einkerbungen 27 schneiden die Nuten oder Einkerbungen 29 so, dass eine Gasverte:lunpseinrichtung zwischen der Fläche 15 und einem Teil der Kapillarmatrize 13 geschaffen wird.

Die querverlaufenden Nuten oder Einkerbungen 27 enden, bevor sie alle Schlitze 24- -schneiden. Vorzugsweise enden die Nuten oder Einkerbungen 27 vor dem Schneiden mit dem ersten Schlitz 24-' , so dass dadurch das Heaktionsgas durch die Platte 11 abgeleitet und auf die Brennstoffzellen-Elektrodenverteilungseinrichtung geleitet wird.

Die Kapillarmatrize 13 ruht auf der Flache 15 der Platte 11 über den-mittleren Teil 16. Sie wird an ihrem Platz gehalten durch die Rückhalteeinrichtüng 33 in derselben Weise

Elektrode
wie die 12. Die Dichtungseinrichtung 32 umgibt die Zuleitungsöffnungen 20,21 und 22 und den äusseren Umfang der Rückhaltungseinrichtung 33· Die kapillare Matrize 13 be- ■· steht aus einem faserhaltigen oder vibrösen Material mit einem hohen Kapiilarpotential von vorzugsweise über 7 kg/cm'' (100 Ibs/in ). Asbest hat sich als bevorzugtes Matrizen material bewiesen; vibröse oder faserförmige Kunststoffe, wie z.B. Polypropylen, sind ebenfalls geeignet»

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Obgleich es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann eine Stützplakette aus porösem Aufbau, die aus einem Material wie z.B. gesintertem Nickel besteht, zwischen der Käpillar-"matrize und der Platte 11 angeordnet sein.

V/ährend der Herstellung der Zelle, von der der Aufbau 10 ein Teil bildet, wird die Matrize 13 mit einer wässrigen Lösung eines nicht flüchtigen auflösbaren Stoffes, wie z.B. Kaliumtiydröxyd gesättigt.

Die in Zusammenwirkung,mit einer alkalischen Elektrolytzelle betriebene Matrize 13 ist natürlich am günstigsten in der . Iiähe der Brennstoffelektrode angeordnet, da dort das Produkt Wasser gebildet wird. In einer Säureelektrolyt-Wasserstoff/Sauerstaff-Brennstoffzelle bildetsich das Produkt Wasser an der Oxydationselektrode. In einer Säureelektrolytzelle würde folglich die Matrize 13 vorzugsweise der Stützplatte an der Sauerstoffseite der Zelle anstatt der Wasserstoffseite zugeordnet sein.

Beim Betrieb eines Brennstoffzellenelementes, welches den Stützplattenaufbau 10 aufweist, wird das Heaktionsgas durch .den Kanal zugeführt, der von mehreren Zuleitungsöffnungen, Wie z.B. der Öffnung 20, gebildet wird. Der Einlasskanal 30 verbindet die Öffnung 20 und das Verteilungsgitter 28 an

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der Fläche 15 der Platte 11. Wenn sich das Gas durch die Kanäle oder Durchlässe des Gitters 28 "bewegt, nimmt es Feuchtigkeit von der Matrize 13 auf. Da der Raum, durch den das . üeaktionsgas hindurchstrennt, einen Wasserdampf druck und eine Temperatur aufweist, die fast gleich der Brennstoffzellenbetriebstemperatur ist, wird das Reaktionsgas auf so einen Pegel befeuchtet₅ dass es nicht merklich mehr Feuchtigkeit verdunstet beim Kontakt mit der Brennstoffzellenelektrode 12. Wenn sich das nun befeuchtete Gas zu dem Endpunkt 55 der Quernuten 27 ausbreitet, störint es durch; die Platte 11 durch eine Öffnung, wie^: z.B. dem Schlitz 24', hindurch und wird dann über das Gitter 23 verteilt.

- Patentansprüche -

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Claims

Pat ent ansprüche

1. Verfahren zum Zuführen eines "befeuchteten Reaktionsgases zu der Elektrode einer Brennstoffzelle, bei der die Elektrode an einer Seite einer Stützplatte angebracht ist, dadurch ,~--e k e η .η ζ e i c h η et , dass das Reaktionsgas zu der anderen Seite der Stützplatte zugeführt wird, dass das Sas in Berührung mit einer Befeuchtungskapillarmatrize gebracht wird, die an der anderen Seite angebracht ist, um.es zu befeuchten, und dass unmittelbar danach das befeuchtete G-as durch die Stützplatte hindurchgeleitet und in Kontakt mit der Elektrode gebracht wird.

2. Brennstoffzellen-Stützplattenaufbau mit einer Platte,' an deren einen Seite eine Brennstoffzellenelektrode und an deren anderen Seite eine Befeuchtui^kapillarmatrize angebracht ist, und mit einer Gasverteilungseinrichtung an jeder Fläche der Platte, der ein Reaktionsgas zugeführt wird, dadurch g e k eη η ζ e i c h η e t , dass die Gasverteilungseinriehtung an der anderen Seite der Platte so angeorcüt^ iät't eteßß sie das Heaktiönsgäs in· Berührung nur' mit der.jKapIllarmätilze leitet, um es zu befeuchten, und dass Gasableitungsmittel in der Platte vorgesehen sind, um das

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befeuchtete Gas durch die Platte hindurch und in "die Gasverteilungseinrichtung an der einen Seite der Platte zur Berührung mit der Elektrode zu leiten.

3. Brennstoffzellen-Stützplattenaufbau nach Anspruch 2, dadurch ge kenn ζ e ic h η e t , dass die Gasverteilungseinrichtung an der anderen Seite der Platte wenigstens eine Nut oder Einkerbung aufweist, die mit einem Einlasskanal kommuniziert, und dass die Nut oder Einkerbung mit ihrer offenen Seite der Kapillarmatrize zugekehrt ist.

4-, Brennstoff zelien-Stützplattenaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Gasverteilungseinrichtung mehrere im Abstand voneinander angeordnete und untereinander verbundene Nuten oder Einkerbungen aufweist, die sich untereinander schneiden oder kreuzen.

5* Brennstoffzellen-Stützplattenaufbau nach Anspruch 2, 3 oder 4-, dadurch ge kennzeichnet, dass die Gasverteilungseinrichtung an der einen Seite der Platte wenigstens eine Nut oder Einkerbung aufweist, die mit einem Auslasskanal kommuniziert, und dass die offene Seite der Nut oder Einkerbung der Elektrode zugekehrt ist.

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5. Brennstoffzellen-Stützplattenaufbau nach Anspruch. 5_f dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , dass die Gasverteilungseinrichtung an der einen Seite der Platte mehrere im Abstand voneinander angeordnete, untereinander verbundene Hüten oder Einkerbungen aufweist. - . .

7. Brennstoffzellen-Stützplattenaufbau nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , dass die Gasableitungseinrichtung wenigstens einen Schlitz in der S,tützplatte aufweist, der mit der Nut bzw, den Nuten der öasverteilungs.einrichtung an jeder Seite der Platte kommuniziert* . -

8. Brennstoffzellen-Stützplattenaufbau nach Anspruch 7 und 6,/dadurch g e k en η zei c h n e t , dass die Gasableitungseinriclxtung mehrere Schlitze aufweist, die die Nuten schneideii oder lcreuzen, welche in der Gaayerteilüngs-

an der ein^n Seite der Platte vorgesehen sind.

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