DE1596124A1 - Brennstoffelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen im Aufbau von Elektroden und Brennstoffbatterien, bei denen auf einer porösen, elektronisch nichtleitenden Substratelektrode ein Elektrokatalysator vorgesehen ist.

Wie in dem Patent ^r. 3,116,170 von Williams und anderen beschrieben wird, sind Elektrodenanordnungen mit einem Elektroicatalysator auf einer porösen, elektronisch nichtleitenden Substratelektrode in der Technik im allgemeinen bekannt. Bei Geräten für Laborversuche können elektrische leitungen einfach mit dem Elektrokatalysator auf der Substratelektrode verbunden sein; aus wirtschaftlichen Gründen erfor-. dem jedoch die Kosten für Elektrokatalysatoren, insbesondere

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin licht, Dipl.-Wirtidi.-lnfl. Axel Hanimann, Dipl.-Phys. Sebaitian Herrmann I MÖNCHEN J, THERESIENITRAIIE 13 · T.ltfom 2»!102 · TtltfNMwn-AdrMMi Upalll/MSndwn

»ankvarblndungwii Dwtid» Bank AO, Filial· MOnchM, Dap.-Kau· Vlkluelltnmarkt, Konlo-Nr. 70/30*31 Boy.r. V.r»in«bank MOncton, Zwtlgit. Oikar-von-Mlllar-Ring, Klo.-Nr. HJ 4« · Poilidiecfc-Konloj MOndwn Nr. 1*33 »7

Opp»nau»r lOro, PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

Platin, einen ausreichenden Transport des elektrischen Stroms über die Oberfläche der Elektrode zur angrenzenden Leitung ocer Klemme. Hierfür wird ein Strom-Kollektorgitter gegen den Elektrokatalysator gepreßt, um den Strom von der Elektrode an eine äußere leitung oder Klemme abzuführen.

Bei Brennstoffbatterien, die aus mehreren Brennstoffelementen bestehen, kann in der Batterie ein ziemlich großer innerer Widerstand auftreten, wenn die Strom-Kollektorelektroden mit dem zugehörigen Elektrokatalysator keinen festen, einheitlichen Kontakt bilden. Aus diesem Grunde wurden Brennstoffbatterien üblicherweise aus Elementen gebildet, die zwischen schwere Metallplatten gepreßt wurden und durch Verbindungsbolzen befestigt waren. Dieses hat jedoch einen ungünstigen Einfluß auf das theoretische Verhältnis von Gewicht und Leistung. Trotz der Verwendung von Verbindungsbolzen und Stirnplatten können bei großen Brennstoffbatterien, wenn sie nicht sorgfältig hergestellt wurden, immer noch beträchtliche innere Widerstandsverluste auftreten.

Der Erfindung liegt folgende Aufgabenstellung zugrunde ι Es soll ein Elektrodenaufbau mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit geschaffen werden.

Es soll insbesondere ein Elektrodenaufbau geschaffen werden, der in zuverlässiger Weise eine einheitlichere elektrische Leitfähigkeit gewährleistet.

Es aoll weiterhin eine Brennstoffbatterie mit höherem Wirkungsgrad und einfachem Aufbau geschaffen werden.

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Weiterhin soll eine Brennstoffbatterie geschaffen werden, die einen kompakteren und einheitlicheren Aufbau aufweist.

Ais Lösung der Aufgabenstellung ist eine Elektrodenanordnung aus einer porösen, elektronisch nichtleitenden Substratelektrode mit einem Strom-Kollektorgitter, das mit der Substratelektrode verbunden ist, vorgesehen. ^Äuf der Substratelektrode ist ein Elektrokatalysator angebracht, der mindestens einen Teil des Gitters überdeckt, wodurch elektrischer Strom von der Elektrode bei minimalen Widerstandsverlusten wirksam abgenommen werden kann. Ein solcher Elektrodenaufbau kann in eine Brennstoffbatterie eingebaut werden, um eine vereinfachte und betriebsfähigere Batterie zu schaffen. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Elektroden mit eingebauten Anzapfungen oder Laschen versehen sein, die als innere Verbindungen für die Batterie dienen.

Es folgt nun eine Beschreibung anhand der Zeichnungen:

Figur 1 i'st eine Explosivdarstellung eines sich wiederholenden Stapelaufbaus.

Figur 2 ist ein Schnitt entlang Linie 2-2 aus Fig.

Figur 3 ist ein Schnitt ähnlich Figur 2, jedoch durch einen abgewandelten Elektrodenaufbau.

Figur 4 ist ein Grundriß einer Brennstoffbatterie.

Figur 5 ist eine Explosivdarstellung eines abgewandelten Stapelaufbaus.

Figur 6 ist ein Schnitt entlang der Linie 6-6 aus Figur 5.

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Figur 7 ist ein Grundriß einer abgewandelten Brennstoffbatterie .

Figur 8 ist ein Grundriß einer weiteren Abwandlung einer Brennstoffbatterie, in teilweise abgebrochener Darstellung.

Figur 9 ist eine Explosivdarstellung der Brennstoffbatterie aus Figur 8.

Figur 10 ist ein Schnitt entlang der Linie 10-10 aus Figur 8.

Figur 11 ist ein Schnitt entlang der Linie 11-11 aus Figur 8.

Figur 12 ist ein Schnitt entlang der Linie 12-12 aus Figur 8.

Der hier verwendete Ausdruck "elektronisch nichtleitend" bezieht sich auf Werkstoffe, die normalerweise keinen Strom durch Elektronentransport leiten können, und umfaßt solche Werkstoffe, die zwar nicht durch Elektronentransport, wohl aber durch lonentransport Strom leiten können. Der Ausdruck "Brennstoffbatterie" bezieht sich auf eine Anordnung, die aus mehreren Brennstoffelementen besteht.

Figur 1 ist eine Explosivdarstellung eines sich wiederholenden Stapelaufbaus A. Der Stapelaufbau besteht aus Elektrodenanordnungen 1, Elektrolyt-Träger oder Rahmen 2, Sauerstoff-Träger oder Oxydationsrahmen 3 und Brennstoff-Träger oder -Rahmen 4. Jeder Elektrolytrahmen besitzt zwei Öffnungen 5, auf jeder Seite des Rahmens eine. Der Oxydationsrahmen besitzt zwei öffnungen 6, eine ist am rechten unteren Ende des

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Rahmens gezeigt, die andere liegt linka oben und ist nicht zu sehen. In ähnlicher Weise besitzt der Brennstoffrahmen zwei Öffnungen 7, die eine rechts oben,und die andere links unten ist nicht zu sehen. Der Oxydationsrahmen und der Brennstoff-. rahmen sind vorzugsweise identisch, nur befinden sie sich an verschiedenen Stellen im Stapelaufbau.

Jede Elektrodenanordnung umfaßt eine poröse, elektronisch nichtleitende Substratelektrode 10, auf deren einer Oberfläche ein fest anliegender, im wesentlichen planparalleler Stromkollektor oder Gitter 11 befestigt ist, der durch Streifen gebildet wird, die aus elektrisch leitendem, korrosionsbeständigem Werkstoff bestehen. Die Streifen sind auf der Oberfläche der Substratelektrode verteilt, um eine bessere Flächenverteilung des elektrischen Stroms zu gewährleisten. Hierfür kann jedes beliebige Grittermuster verwendet werden, das diesen Zwecx: erfüllt. Wie dargestellt ist, besteht der Stromkollektor aus vier Kollektorstreifen 12, die den Strom nach oben an eine gemeinsame Sammelleitung 13 abgeben. Eine Anzapfung oder lasche 14 int an die Sammelleitung angeschlossen, und erstreckt sich, getragen von dem Vorsprung 15, nach oben. Dor Vorsprung 15 ist mit der Substratelektrode aus einem StüCK geformt. Es soll erwähnt werden, daß die Gesamtfläche de:i ijtromkollektors oder Gitters 11 an die Substratelektrode angrenzt. Jeder Elektrolytrahmen bildet mit den beiden benachbarten Jb.J eiitrocjenanordnungen einen Elektrolyt-Elektrodenaufbau. In einem aolchen Aufbau bilden der Elektrolytrahmen und die

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Substratelektrode einen abgegrenzten Raum für den- Elektrolyten, aodaß die äußeren Oberflächen der Substratelektrode mit dem Elektrolyt in Berührung kommen. Jeder Elektrolytrahmen, die angrenzenden Substratelektroden und der dazwischenbefindliche Elektrolyt bilden eine Einheit, die als Elektrolyt-Vorrichtung bezeichnet werden kann.

Wie schematisch in Figur 2 dargestellt ist, enthält die aus Kunstharz geformte Substratelektrode 10 Poren (nicht dargestellt), oder sie kann aus porösem," nichtleitendem Substrat-Stoff geformt sein, wie z. B. Williams und andere angegeben haben. Die Substratelektrode kann aber auch aus einer üblichen Ionenaustausch-Membran bestehen. Zur Erläuterung mag die Patentanmeldung von Puffer und anderen, Serial No. 132,462, eingereicht am 18. August 1961 dienen. Der Streifen 12 kann auf der Oberfläche der Substratelektrode durch Druck und/oder anhaftende Schichtbildung befestigt sein. Die Streifen können aber auch durch übliche Lackierverfahren oder Überzugsbildung auf die Substratoberfläche aufgebracht werden. Eine dünne Schicht aus porösem, korrosionsbeständigem, elektrisch leitendem Werkstoff 16 überdeckt, wie schematiach dargestellt ist, die Streifen und die übrige Oberfläche der Substratelektrode. Die elektrisch leitende Schicht, (was nicht dargestellt ist), kann bis in die Poren der Substratelektrode hineinreichen. Über der Schicht 16 befindet aich ein Elektrokatalysator, der ebenfalls in die Poren der Substratelektrode hineinreichen kann.

Figur 3 zeigt eine abgewandelte Anordnung, bei der

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eine Substratelektrode 10a aus einer porösen, nichtleitenden Pasermatte besteht. Me Fasern können nach herkömmlichen Verfahren, einschließlich IFilzherstellung oder Weben, miteinander verbunden sein. Der Streifen 12a ist direkt mit der Oberfläche der matte verbunden. Der Elektrokatalysator 17a haftet fest an der Matte und den Streifen.

In Figur 4 ist eine Brennstoffbatterie 20 mit erfindungsgemäßem Aufbau dargestellt. Me Brennstoffbatterie besteht der iteihe nach aus einer Stirnplatte 21, zwei gleichartigen Stapelaufbauten A, einem Brennstoffrahmen 4, einer Elektrodenanordnung 1, einem Elektrolytrahmen 2, einem Elektrodenaufbau 1, einem Oxydationsrahmen 3 und einer Stirnplatte 22. Es ist ersichtlich, daß die zwischen dem Stapelaufbau A und der Stirnplatte 22 liegenden Elemente einen Teil eines Stapelaufbaus A darstellen. Durch die Oxydationsrahmen wird über die angeschlossenen Leitungen 23 und 24 ein Oxydationsmittel hindurchgeleitet j in ähnlicher Weise wird durch die Brennstoffrahmen mittels der Leitungen 25 und 26 Brennstoff hindurchgeleitet. Der Elektrolyt wird über die Leitungen 27 und 28 durch die Elektrolytrahmen hindurchgeleitet. Die schematisch dargestellten Verbindungen 29 bilden eine elektrische Serienverbindung zwischen den einzelnen Klemmenstreifen an den Elektroden. Die neben der Stirnplatte 21 befindliche Elektrodenanordnung ist über elektrische' Verbindungen 31 an einen Belastungswiderstand 30 angeschlossen. In ähnlicher Weise ist die neben der Stirnplatte 22 befindliche Elektrodenanordnung über die Verbindung^

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mit der elektrischen Belastung verbunden.

Es soll erwähnt werden, daß die Brennstoffbatterie 20 sich in ihrem Aufbau von üblichen Brennstpffbatterien unterscheidet, da die Stirnplatten aus leichtem Material bestehen, im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten massiven Stirnplatten. Außerdem sind keine Verbindungsbolzen oder andere Vorrichtungen vorgesehen, um die Elemente der Batterie fest zusammenzupressen. Obwohl die Brennstoffbatterie in der hier gewählten Darstellung aus zwei Stapelaufbauten A besteht, ist ersichtlich, daß jede beliebige Anzahl solcher Einheiten zu einer Batterie zusammengefaßt werden können. Die Brennstoffbatterie kann leicht zusammengebaut werden, indem angrenzende Elemente einfach durch eine haftende Verbindung aneinandergefügt werden. Natürlich kann auch die übliche Verbindungsbolzen-Anordnung verwendet werden, obwohl ihre Verwendung nicht besonders bevorzugt wird.

Figur 5 stellt einen abgewandelten Stapelaufbau B dar, der aus zwei Elektrolytelektroden 33, einem Öxydationsrahmen 3 und einem Brennstoffrahmen 4 besteht. Jede Anordnung besteht aus einer porösen, elektronisch nichtleitenden Substratelektrode 34 mit Stromkollektoren oder Gittern 11, die auf gegenüberliegenden Flächen der Substratelektrode angebracht sind. Über jedem Gitter befindet sich eine dünne Schicht aus porösem, nichtkorrodierendem, elektrisch leitendem Material Über/jeder leitenden Schicht 35 befindet sich eine Schicht 36 ■(Figur 6) aus Material, das den Elektrokatalysator darstellt.

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Die Substratelektrode besteht, wie dargestellt ist, aus Kunstharz, könnte jedoch auch aus einer Fasermatte (Figur 3) oder aus einem anderen elektronisch nichtleitendem, porösem Material bestehen. Die Substratelektrode mag dazu dienen, die Elektrolytflüssigkeit einzubetten, etwa Schwefelsäure, Phosphorsäure, Alkali-Hydroxyde usw, mit Ionenkontakt zum Elektrokatalysator. Wenn die Substratelektrode jedoch teilweise oder ganz aus eipem Ionenaustausch-Kunstharz besteht, braucht sie keinen flüssigen Elektrolyten zu enthalten.

Figur 7 stellt eine Brennstoffbatterie 40 dar, die der Seihe nach eine Stirnplatte 41, zwei Stapelaufbauten B, einen Brennstoffrahmen 4, eine Anordnung 33» einen Oxydationsrahmen 3 und eine Stirnplatte 42 enthält. Die Leitungen 43 und 44 sorgen dafür, daß Brennstoff durch die Rahmen hindurchlaufen kann, und die Leitungen 45 und 46 lassen das Oxydationsmittel hindurchlaufen. Die schematisch dargestellten Verbindungen 47 bilden eine elektrische Serienverbindung zwischen den Klemmenstreifen der Anordnung. Der nächst der Stirnplatte 41 gelegene Kleuimenstreifen ifit über Leitung 49 mit einem Belastungswideratand 4ü verbunden. In ähnlicherweise verbindet die Leitung 50 den neben der Stirnplatte 42 befindlichen Kleinmenstreifen mit einer elektrischen Belastung.

Die Brennstoffbatterie 40 ist ähnlich im Aufbau wie Batterie 20 und weist die gleichen allgemeinen Vorteile auf. -Die Batterie hat einen etwas vereinfachten Aufbau, bei dem keine Elektrolyt-Leitungen oder -Rahmen erforderlioh sind,

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da der Elektrolyt durch Kapillarkräfte innerhalb der porösen Substratelektrode 34 jeder Anordnung gehalten wird, die teilweise oder vollständig aus einem Ionenaustausch-Kunstharz besteht.

Figur 8-12 stellen eine Brennstoffbatterie 100 mit abgewandeltem Aufbau dar. Die Batterie enthält zwei Stirnplatten 101 und 102. Neben der Stirnplatte 101 befindet sich ein Heaktionsrahmen 103a, und ein ebensolcher Rahmen 103b, der nur anders ausgerichtet ist, befindet sich auf der Innenseite der Stirnplatte 102. Der Eahmen 103a mag als Oxydationsrahmen und der Rahmen 103b als Brennstoffrahmen betrachtet werden.

Nach innen neben den Rahmen 103a und 103b befinden sich zwei gleiche, aber anders ausgerichtete Elektrodenanordnungen 104a und 104b. Jede Elektrodenanordnung besteht aus zwei Stromkollektor-Grittern 105. Jedes Gitter besteht aus fünf Kollektorstreifen 106, die mit einer Verzweigung 107 an jedem Ende eine Einheit bilden. Von den Verzweigungen erstrecken sich Klemmenstreifen 108 nach außen.

Diese Streifen werden von einer Substratelektrode 109 gehalten, die aus porösem, nichtleitendem Material besteht. Die Substratelektrode enthält acht Anzapfungen oder Klemmenlaschen 110 gleicher länge. Die Laschen sind zu Paaren angeordnet, wobei sich an gegenüberliegenden Kanten der Elektrode je zwei Paare befinden. Die Klemmenstreifen erstrecken sich jeweils auf eine dieser Laschen. Die Elektrodenanordnung 104a iat so ausgerichtet, daß sich die Klemmenstreifen auf der

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unteren Seite jedes Laschenpaares befinden, während sich die Klemmenstreifen beim Aufbau 104Td jeweils auf der oberen Lasche befinden. Der Elektrokatalysator 111 befindet sich auf den Kollektorstreifen und Verzweigungen jeder Elektrodenanordnung.

lach innen neben der Elektrodenanordnung 104a befindet sich ein Elektrolytrahmen 112. Die zwischen dem Elektrolytrahmen 112 und der Elektrodenanordnung 104b befindlichen Elemente können eine oder mehrere Stapelanoränungen C darstellen. In figur 9 sind zwei Stapelaufbauten C gezeigt. Jeder Stapelaufbau setzt sich aus einem Elektrolytrahmen 112, einer Elektrodenanordnung 113a, einem Oxydationsrahmen 114a, einer Elektrodenanordnung 115a, einem Elektrolytrahmen 112, einer Elektrodenanordnung 115b, einem Brennstoffrahmen 114b und einer Elektrodenanordnung 113b zusammen.

Die Elektrodenanordnungen 113a und 113b sind hinsichtlich Aufbau und Ausrichtung mit den Elektrodenanordnungen 104a und 104b identisch. Die Elektrodenanordnungen 115a und 115b sind hinsichtlich Aufbau und Ausrichtung mit den Elektrodenanordnungen 104a und 104b identisch, außer daß jede lasche 116, die einen Klemmenstreifen 108 trägt, verlängert ist. Damit die elektrische Energie der Brennstoffbatterie entnommen werden kann, sind vier Bänder oder Träger 117 aus porösem, nichtleitendem Werkstoff vorgesehen, die jeweils eine gemeinsame Stromschiene oder Sammelleitung 118 enthalten.

Die Elemente der Brennstoffbatterie 100 sind in Serie geschaltet, sodaß die elektrische Schaltverbindung innen in der

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Batterie ähnlich wie bei Batterie 20 und 40 ist. Hierfür siaad die Elektrodenanordnungen 104a und 104b so angebracht, daß die Klemmenstreifen 108 die Sammelleitungen 118 der beiden Träger 117 berühren, die zu beiden Seiten der Oxydationsrahmen 103a und 103b befestigt sind. Die Träger 117 haben im wesentlichem gleiche Dicke wie die Rahmen 103a und 103b.

Elektrische Verbindungen innerhalb jedes Stapelauf— baus C werden dadurch erreicht, daß die verlängerten 116 umgebogen werden, damit die Klemmenstreifen auf der Ä fläche der umgebogenen Lasche aufliegen. Die Laschen 116 der Elektrodenanordnung 115a werden über den Elektrolytrahmen 112 und über die Laschen der Elektrodenanordnung 115b, die Jseime Klemmenstreifen hat, umgebogen, sodaß ein elektrischer Kontakt zwischen den Elektrodenanordnungen 115a und 113b hergestellt wird. Die Laschen 116 der Elektrodenanordnung 115b siuä in atelicher Weise über den Elektrolytrahmen 112 xmd die Laschen dex Elektrodenanordnung 115a, die keine Klemmenstreif en !hat-, mmge— bogen, sodaß ein elektrischer Kontakt zwischen den Elektriodeaanordnungen 115b und 113a hergestellt wird.

Der Stapelaufbau ist so ausgelegt, daß zwischen ,jeder Laschenstellung einmal die Einheitsdicke des Änfbaus vorliegt. Zu diesem Zweck sind vier Laschen 119a auf dem öxydationsrahmen 114a und vier Laschen 119b auf dem Brennstoffrahmen 114b vorgesehen. Anders ausgedrückt bedeutet das, daß jeder Reaktions— rahmen vier Laschen weniger besitzt als die Elektrodenanordnungen, die jeweils acht Laschen haben.. Die freien Plätze dear

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fortgelassenen Laschen werden durch die umgebogenen Enden der laschen 116 ausgefüllt. Die Einheitsdicke der Brennstoffbatterie ist am besten aus Figur 10 und 11 zu ersehen, die Schnitte durch zwei Laschenstellungun darstellen. Damit guter elektrischer Kontakt zwischen den Laschen der einzelnen Elemente herrscht, sind Verbindungsschrauben 135 vorgesehen, die sich durch Löcher 136 und 137 in den Stirnplatten 101 und 102 erstrekken und zwischen benachbarten laschen, die jeweils ein Paar bilden, hindurchlaufen. Die Verbindungaachrauben 135 werden mit muttern 138 befestigt. In Figur 9 ist zur Vereinfachung nur eine Schraube und eine Mutter dargestellt. Damit nicht unbeabsichtigter Weise ein Kurzschluß entsteht, ist jede Schraube vorzugsweise mit einer isolierenden Schicht oder Mantel versehen.

Damit die Reaktionsteilnehmer und der Elektrolyt durch die Brennstoffbatterie fließen können, enthält jeder Keaktiona- und Elektrolytrahmen auf zwei gegenüberliegenden Kanten je drei gleich angebaute Dichtungen. Zur Vereinfachung der Bauweise sind diese Dichtungen an den zwei nicht durch Laschen benetzten Kanten vorgesehen. Die obere linke und untere rechte Dichtung jedes Oxydationsrahmens steht über Öffnungen 122 mit dem Innυπraum den ßahinenn in Verbindung. Die mittlere Dichtung jedüfj iülektrolytrahmena steht durch Öffnungen 123 mit dem Innen raum der; Itahmena in Verbindung. Die obere rechte und untere linice Dichtung Jeden Brennntoffrahmens steht durch öffnungen 124 mit dem Inneriraum dea Hahmena in Verbindung.

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Zwischen den Rahmen befindet sich jeweils eine Elektrodenanordnung, sodaß die angebauten Dichtungen voneinander getrennt sind. Deshalb sind getrennte Dichtungen 125 neben jeder Elektrodenanordnung angebracht, die zu den angebauten Dichtungen ausgerichtet sind und die dazwischenbefindliche Lücke überbrücken und abdichten.

Wie in Figur 12 dargestellt ist, bilden die oberen linken Dichtungen bei der zusammengebauten Brennstoffbatterie eine Leitung 126 für das Oxydationsmittel. In der Stirnplatte 101 befindet sich eine Öffnung 127, und in der Stirnplatte befindet sich eine kleinere Öffnung 128. In der Öffnung 127 befindet sich eine verbindende Halterung 129, in der eine Öffnung 130 vorgesehen ist. -&in Dichtungsring.131 befindet sich an der Halterung und ein ähnlicher Dichtungsring 132 befindet sich an der Stirnplatte 102. Eine Verbindungsschraube 133 liegt eng am Dichtungsring 131 an und erstreckt sich durch die Leitung 126 und die Öffnung 128. Die Schraube wird durch eine Mutter 134 angezogen, die eng an dem Dichtungsring 132 anliegt. Wenn mit der Verbindungshalterung eine Zuleitung verbunden wird (nicht dargestellt), kann das Oxydationsmittel in die Leitung 126 und durch Öffnungen 122 in das Innere der Oxydationsrahmen gelangen. Einen Auslaß für die Qxydationsrahmen bildet eine ähnliche Anordnung, die an der unteren rechten Ecke der Brennstoffbatterie vorgesehen ist.

In ähnlicher Weise wird den Elektrolyt- und Breni.-atoffrahmen der Elektrolyt und dor irvunstofl" zuguführt, nur

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daß sich die Durchlaßöffnungen an anderen Stellen befinden. Ein Schnitt durch die Brennstoff-Leitungsführung für die Brennstoffbatterie würde z. B. identisch der Figur 12 sein, außer daß die öffnungen 122 für die Oxydationsrahmen durch die Öffnungen 123 für die Brennstoffrahmen ersetzt wären.

Es wurde erwähnt, daß die Elektrolytrahmen und die benachbarten Elektrodenanordnungen zusammen eine Elektrolyt-■^lektrodenanordnung bilden. Die Elektrolytrahmen und die banachbarten Elektrodenanordnungen nehmen den Elektrolyten auf, ähnlich wie bei der Brennstoffbatterie 20.

Beim Betrieb der in Figur 4 gezeigten Brennstoffbatterie 20 wird den Elektrolytrahmen 2 durch Leitung 27 der Elektrolyt zugeführt und durch Leitung 28 wieder abgeführt, £>as Oxydationsmittel gelangt durch Leitung 23 in die Oxydationsrahmen 3 und wird durch Leitung 24 nach außen abgeführt. Brennstoff gelangt durch Leitung 25 in die Brennstoffrahmen 4 und durch Leitung 26 nach außen.

Der Elektrolyt durchdringt die poröse Substratelektrode 10 jeder Elektrodenanordnung 1 und kommt mit dem Elektrokatalysator in Kontakt. Das Oxydationsmittel in den Oxydationsrahmen wird durch den Kontakt mit dem Elektrokatalysator der angrenzenden Elektrodenanordnung elektrochemisch reduziert, während der an die Brennstoffrahmen gelieferte Brennstoff in ähnlicher Weise elektrochemisch oxydiert wird. Bei der Reaktion zwischen Elektrolyt und dem Oxydationsmittel am Elektrokatalysator werden von den Kollektorstreifen 12 durch das elektrisch

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leitende Material 16 Elektronen zum Oxydationsmittel geführt, sodaß negative Ionen entstehen. An den Brennstoffrahmen werden Elektronen von dem Brennstoff, der den Elektrokatalysator berührt, zum leitenden Material 16 und zu den Kollaktorstreifen 12 geleitet. Die von den an den Oxydationsrahmen befindlichen Streifen 12 gelieferten Elektronen werden durch die Elektronen ersetzt, die die an den Brennstoffrahmen befindlichen Streifen 12 liefern. Hierfür ist eine elektrische Schaltung vorgesehen, die aus der Verzweigung 13» den Klemmenstreifen 14, den inneren Verbindungen 29, den Verbindungen 31 und 32 und der Last 30 besteht. Der Betrieb der Batterie 40 ist im wesentlichen der gleiche wie bei Batterie 20, nur daß kein umlaufender Elektrolyt vorgesehen ist, da der Elektrolyt in den Poren der Substratelektrode gehalten wird oder durch die Substratelektrode gebildet wird. Der Betrieb der Brennstoffbatterie 100 ist ebenfalls ähnlich dem von Batterie 20. Das Oxydationsmittel wird der Batterie durch die obere linke Verbindungshalterung 129 zugeführt und durch die untere rechte Verbindungshalterung abgeführt. Der Brennstoff wird der Batterie durch die obere rechte Verbindungshalterung zugeführt und durch die untere lJLnke Halterung abgeführt. Der Elektrolyt wird durch die mittleren Halterungen geleitet. Die innere elektrische Schaltung der Brennstoffbatterie 100 entspricht derjenigen von Batterie 20j der Hauptunterschied liegt darin, daß die inneren Verbindungen der Brennstoffbatterie 100 durch die verlängerten laschen 116 mit den Klemmenstreifen 108 gebildet wird. Die gemeinsamen

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Sammelleitungen 118 an den Trägern 117 neben der Stirnplatte 101 bilden die eine Klemme für die Batterie 100, und die ■Träger und Sammelleitungen 118 neben der Endplatte 102 bilden die zweite Klemme. Die Brennstoffbatterie 100 hat vier parallele innere Verbindungsvorrichtungen, wogegen die Brennstoffbatterie 20 nur eine hat. Die Batterie 100 iat also inneren Widerstandsverlusten noch weniger ausgesetzt.

Obwohl die vorliegende Erfindung mit bezug auf gewisse bevorzugte Ausfuhrungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute ersichtlich, daß zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden können. Es ist z. B. nicht notwendig, für die Reaktionsteilnehmer Auslaßleitungen aus der Brennstoffbatterie vorzusehen, !lach Wunsch können, wie es zum Teil üblich ist, nur Einlaßleitungen vorgesehen sein. Um Produkte aus den Batterien zu entfernen, können mit den Elektrodenanordnungen verbundene Dochte verwendet werden, an denen sich die Produkte bevorzugt ablagern. Wenn Luft als Oxydationsmittel verwendet wird, sind Zuleitungen fur das Oxidationsmittel überhaupt unnötig. Es können dann eine oder mehrere Seiten der Oxydationsrahmen entfernt werden, damit Luft in die Batterie eindringen kann. Andererseits kann die Luft auch in die Batterie eingeblasen werden. Wenn eine Ionenaustausch-Merabran als Substratelektrode verwendet wirr], können die Auslaßleitungen für den Elektrolyten fortfallen, auch wenn im Inneren eine ElektrolytflüBsigkeit vorliegt. Diese Tatsache wird von Puffer und anderen be-Bchrieben, wie schon erwähnt wurde. Di· Anzahl der Strom-

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Kollektorstreifen, Gritter oder Klemmenstreifen, die für jeden Elektrodenaufbau verwendet werden, kann natürlich beliebig gewählt werden. Die Verwendung von Schrauben, um die Brennstoffbatterie zusammenzuhalten, ist nicht erforderlich. Die Anzahl der für jede Einheit verwendeten Brennstoffelemente oder Zellen kann jede gewünschte Anzahl betragen. Die für die dargestellten Ausführungsformen verwendete Anzahl an Brennstoffelementen diente nur zur Erläuterung.

Der Erfindungsgedanke soll dementsprechend nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt werden.

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Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE

1. Elektrodenanordnung gekennzeichnet durch eine poröse, elektronisch nichtleitende Substratelektrode (10; 34; 109), einen Stromkollektor (11; 105), der direkt mit der Substratelektrode verbunden ist, und einen Elektrokatalysator (17» 36} 111), der von der Substratelektrode getragen wird und einen Teil des Stromkollektors überdeckt.

2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratelektrode ein Ionenaustausch-Material enthält.

3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratelektrode aus einer Fasermatte be-

■ steht.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirfsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann 8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon 129 2102 · Telegramm-Adresiei Upafli/ München

Bankverbindungen: Deutsche Bank AG, Filiale München, Dop.-Kasie Vikhralienmarkt, Konto-Nr. 7000638 Bayer. Vereinsbank München, Zweigst. Oikar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 862495 · Posttchedc-Konki: MOnchen Nr. 163397

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4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratelektrode aus einem porösen Kunstharz besteht.

5. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratelektrode mindestens eine nach außen stehende Lasche (14; 110; 116) enthält und daß der Stromkollektor einen Klemmenstreifen (12; 108) enthält, der mit der Lasche verbunden ist.

6. Elektrodenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein poröses, leitendes Material den Stromkollektor überdeckt und den Elektrokatalysator trägt.

7. Brennstoffbatterie mit mehreren Elektrodenanordnungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zu Paaren angeordnet sind, sodaß die porösen Oberflächen einander gegenüberliegen und durch Elektrolyt-Vorrichtungen getrennt sind; Vorrichtungen, um zwischen benachbarten Elektrodenpaaren einen Abstand zu schaffen; Vorrichtungen (124), um Brennstoff in Jeden zweiten Zwischenraum zu leiten, und Vorrichtungen (122), um Oxydationsmittel in die übrigen Zwischenräume zu leiten.

8· Brennstoffbatterie nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkollektor-Vorrichtung aus Stromkollektor-Streifen (106), mindestens einer Verzweigung (107), die mit mehreren Stromkollektor-Streifen verbunden ist, und aus mindestens einem Klemmenstreifen (108) besteht, der mit jedem

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a~r Verzweigungen verbunden ist.

9. Brennstoffbatterie nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch Verbindungsvorrichtungen (116), die mit der Llelitroaenanordnunff eine JLinheit bilden.

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