DE1806794B2

DE1806794B2 - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1806794B2
Application number: DE19681806794
Authority: DE
Inventors: Johann 8520 Erlangen Straßer Karl Dipl Ing 8500 Nürnberg Gehring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-11-02
Filing date: 1968-11-02
Publication date: 1971-05-06
Also published as: SE354152B; US3615852A; FR2022455A1; GB1238603A; DE1806794A1; FR2022455B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement mit ganz oder teilweise aus pulverförmigem Katalysatormaterial bestehenden Elektroden, zwischen denen ein beidseitig mit elektronisch nichtleitenden Deckschichten versehenes, flüssigen Elektrolyten enthaltendes Stützgerät angeordnet ist, wobei die Elektroden mit den zugehörigen Gasräumen und das Stützgerüst in Rahmen angeordnet sind, die Zu- und Abführungen für die Reaktanten und den Elektrolyten aufweisen, sowie eine durch Aneinanderreihung derartiger Brennstoffelemente hergestellte Brennstoffbatterie.

Brennstoffelemente mit beidseitig eines flüssigen Elektrolyten enthaltenden Stützgerüstes angeordneten Elektroden sind bereits aus der französischen Patentschrift 1419 577 und dem französischen Zusatzpatent 87 850 bekannt.

Aus dem französischen Zusatzpatent 89422 ist auch bereits bekannt, als Elektroden im wesentlichen pulverförmiges Katalysatormaterial zu verwenden und das Stützgerüst auf beiden Seiten mit einer im elektrolytgetränkten Zustand gasdichten, ionenleitenden Deckschicht zu versehen, die beispielsweise elektronisch nichtleitend sein kann. Das Stützgerüst und die Elektroden werden bei derartigen Brennstoffelementen meistens in einen Rahmen aus Kunststoff eingebettet, über den durch Einzelbohrungen der Elektrolyt bzw. die Reaktanten dem Stützgerüst bzw. den Elektroden zugeführt werden. Zur Abdichtung der ionenleitenden Deckschichten sowie der in einer Batterie vereinigten und mittels Bolzen zusammengespannten Brennstoffelemente werden dabei meistens Rundschnurringe verwendet.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei Brennstoffelementen und Brennstoffbatterien mit ganz oder teilweise aus pulverförmigem Katalysatormaterial bestehenden Elektroden während des Betriebes Störungen dadurch auftreten können, daß der Anpreßdruck auf die einzelnen Bauteile ungleichmäßig ist. Diese Störungen sind darauf zurückzuführen, daß bei pulverförmigem Katalysatormaterial enthaltenden Elektroden das elektrochemische Verhalten vom Anpreßdruck beeinflußt wird.

Dazu kommt, daß beim Betrieb von Brennstoffelementen, insbesondere Brennstoffbatterien, mit in Kunststoffrahmen eingegossenen Stützgerüsten und/ oder Elektroden infolge von thermischen und mechanischen Druckbelastungen starke Deformierungen auftreten können, so daß Spannungsrisse auftreten und der Kunststoff für den Elektrolyten bzw. Reaktanten durchlässig wird. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Brennstoffelemente bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen oberhalb 80° C betrieben werden.

Eine Brennstoffzellenbatterie aus Brennstoffzelleneinheiten, bei der die Elektroden aus einem Dichtungsrahmen aus Kunststoff, beispielsweise aus Polyäthylen, und einem darin eingesetzten Elektrodenmaterial in Form eines Drahtgewebes oder einer gelochten oder gewellten Platte bestehen, ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 873 176 bekannt. Die Zu- und Abführung der Reaktanten erfolgt dabei über Löcher bzw. Schlitze in den Dichtungsrahmen.

Weiterhin ist auch eine aus Modulelementen zusammengesetzte Brennstoffbatterie bekannt (schweizerisches Patent 456 704), bei der Lochungen in den Randzonen der Modulelemente als Kanäle zur Zu- und Abfuhr der beteiligten Medien dienen. Bei als Wasserentzugszellen ausgebildeten Modulelementen sind dabei elektrolytgetränkte Asbestschichten in einem Kunststoffrahmen angeordnet. Die Brennstoffelemente enthalten eine elektrolytgetränkte Asbestschicht zwischen zwei plattenförmigen Gasdiffusionselektroden, die aus porösen Nickelsinterkörpern mit mechanisch durch Pressen verdichteten Randzonen bestehen.

ίο Aus der deutschen Auslegeschrift ist es bekannt, in Brennstoffelementen Elektroden zu verwenden, bei denen Nickelschichten in Vertiefungen auf beiden Seiten einer starren, metallischen Tragplatte aufgesintert sind. Öffnungen im Randteil dieser Tragplatten und Schlitze in den Dichtungen zwischen den Elektroden, bei der Vereinigung derartiger Elektroden zu Batterien, dienen dabei der Zufuhr der Reaktanten bzw. des Elektrolyten.

Bei den genannten Brennstoffelementen und

ao Brennstoffbatterien findet sich kein Hinweis auf die Verwendungsmöglichkeit von Elektroden, die ganz oder teilweise aus pulverförmigem Katalysatormaterial bestehen, und auf etwa damit verbundene Schwierigkeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bereits erläuterten, infolge des ungleichmäßigen Anpreßdruckes auftretenden Schwierigkeiten bei Brennstoffelementen und Brennstoffbatterien zu vermeiden, die ganz oder teilweise aus pulverförmigem Katalysatormaterial bestehende Elektroden aufweisen, zwischen denen ein beidseitig mit elektronisch nichtleitenden Deckschichten versehenes, flüssigen Elektrolyten enthaltendes Stützgerüst angeordnet ist, und bei welchen die Elektroden mit den zugehörigen Gasräumen und das Stützgerüst in Rahmen angeordnet sind, die Zu- und Abführungen für die Reaktanten und den Elektrolyten aufweisen. Darüber hinaus sollen die durch Deformationen infolge thermischer und mechanischer Druckbelastungen bedingten Betriebsstörungen bei Verwendung von Kunststoffen vermieden werden, und es soll die Möglichkeit geschaffen werden, die Betriebssicherheit auch im Mitteltemperaturbereich zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Rahmen für das Stützgerüst ein den Rand des Stützgerüstes umschließender Metallblechprofilrahmen und als Rahmen für die Elektroden und die zugehörigen Gasräume elastische, gegebenenfalls mit die Gasräume abschließenden Platten fest verbundene Metallblechprofilrahmen vorgesehen sind und daß die Metallblechprofilrahmen für das Stützgerüst und die Elektroden und Gasräume durch die Deckschichten voneinander getrennt und gegeneinander abgedichtet sind.

Die Metallblechprofilrahmen verhalten sich elastisch und können sich daher den jeweiligen Betriebsbedingungen gut anpassen. Es wird damit ein gleichmäßiger Anpreßdruck der Bauteile innerhalb eines Brennstoffelementes gewährleistet, was sich bei pulverförmigem Katalysatormaterial, bei welchem das elektrochemische Verhalten vom Anpreßdruck beeinflußt wird, günstig auswirkt. Infolge der Elastizität der Bauteile lassen sich die Brennstoffbatterien besonders leicht montieren. Auch kann ein günstiges Gewichtsvolumen-Verhältnis eingestellt werden.

Aus der Verwendung von Metallblechprofilrahmen an Stelle der bekannten Kunststoffrahmen ergeben sich für den Aufbau von Brennstoffzellen-

Claims

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batterien weitere wesentliche Vorteile. So kann elektrischen Isolierung der Elektroden 6 und 7. Die beispielsweise das Rahmenmaterial dem Stützgerüst Elektroden aus pulverförmigem Katalysatormaterial derart angepaßt werden, daß ihre thermischen Aus- werden mittels der Metallnetze 8 und 9 an die Deckdehnungskoeffizienten gleich sind oder aber nur sehr schichten gedrückt. 10 und 11 stellen Metallblechwenig voneinander abweichen. Die in vergossenen 5 profilrahmen dar, die die Elektroden 6 und 7 sowie Brennstoffelementen infolge der unterschiedlichen die Netze 8 und 9 aufnehmen. Sie sind mit den Platthermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kunst- ten 12 und 13, vor welchen sich die Gasräume 14 stoff und Metall auftretenden Schwierigkeiten kön- und 15 befinden, fest verbunden, z. B. durch Schweinen somit auf einfache Weise beseitigt werden. Nach ßung, Lötung oder Verklebung. Die Zuführung der der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung io Reaktanten erfolgt jeweils über die doppelwandigen bestehen die Metallblechprofilrahmen und das Stütz- Laschen 16 und 17, die Abführung über die Laschen gerüst aus dem gleichen, gegenüber dem flüssigen 18 und 19. Die Netze 8 und 9 dienen hierbei sowohl Elektrolyten beständigen Metall, beispielsweise aus zur Halterung des pulverförmigen Katalysatormate-Nickel oder Stahl. rials als auch zur Ausbildung der Gasräume 14

Ein weiterer Vorteil der neuen Brennstoffbatterie 15 und 15.

wird darin gesehen, daß sie nunmehr ohne Sch wie- Fig. 2 zeigt den Schnitt A-B des in Fig. 1 dar-

rigkeiten auch bei höheren Temperaturen, insbeson- gestellten Brennstoffelementes. Die Bezugsziffern

dere im Mitteltemperaturbereich von 150 bis 300⁰C, haben hierbei die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1.

eingesetzt werden kann. Die durch Deformation und Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf ring-

Spannungskorrosion in bekannten, mit Kunstharz- 20 förmige Metallblechprofilrahmen beschränkt; die

massen vergossenen Batterien verursachten Betriebs- Metallblechprofilrahmen können auch polygonal

störungen treten nicht auf. Die Brennstoffzellen- sein, beispielsweise quadratisch,

batterie nach der Erfindung ist auch über lange Die in F i g. 3 wiedergegebene Brennstoffbatterie

Betriebszeiten für den Elektrolyten undurchlässig; besteht aus aneinandergereihten Brennstoffelemen-

eine Demontage der Batterie infolge schädlicher 25 ten, bei der jeweils zwei Elektroden ungleicher

Kunststoffrahmen ist nicht erforderlich. Polarität in einem Bauteil vereinigt sind, so daß

Die Metallblechprofilrahmen zur Aufnahme des eine bipolare Elektrode entsteht. Das pulverförmige, Stützgerüstes bzw. der Elektroden sind sehr leicht von feinmaschigen Netzen gehaltene Katalysatorherstellbar und eignen sich besonders zur Herstel- material ist hierbei beidseitig der Kontaktplatte, die lung von Serienbauteilen, aus denen durch abwech- 30 vorteilhaft aus Wellblech besteht, angeordnet,
selnde Aneinanderreihung eine Batterie montiert In der Figur sind die Stützgerüste mit 20 bezeichwerden kann. Die Abdichtung der einzelnen Bau- net und deren Metallblechprofilrahmen mit 21. Die teile gegeneinander erfolgt mittels der in den Brenn- beidseitig des Stützgerüstes angeordneten Deckstoffelementen vorhandenen, elektronisch nicht- schichten sind durch die Bezugsziffern 22 gekennleitenden Deckschichten, so daß die üblicherweise 35 zeichnet und die pulverförmigen Katalysatorschichzur Abdichtung der Bauteile verwendeten teuren ten durch die Ziffer 23. Die Katalysatorschichten Rundschnurringe überflüssig sind. Die Deckschich- werden von den feinmaschigen Netzen 24, die gleichten, die vorteilhaft aus Asbestpapier bestehen kön- zeitig als Stromableiter dienen, gehalten. Die die nen, werden zweckmäßigerweise in den Bereichen, Kontaktplatten bildenden, und in den Metallblechdie zwischen den Metallblechprofilrahmen liegen, 40 profilrahmen 25 befestigten Wellbleche sind mit 26 hydrophobiert, d. h. mit geeigneten Kunststoffdisper- bezeichnet. Die Leitungen 27 und 28 dienen jeweils sionen oder Kunststofflösungen imprägniert. der Zu- und Abführung des Elektrolyten und sind

Die Elektroden aus pulverförmigem Katalysator- über die Verbindungsstücke 29 miteinander verbun-

material können beispielsweise aus Raney-Nickel, den. In analoger Weise werden die Zu- und Ablei-

Raney-Silber, Silber oder katalysatorimprägnierter 45 tungen 30 für den Wasserstoff bzw. Sauerstoff durch

Kohle bestehen. Sie können durch ein oder mehrere Verbindungsstücke 31 verbunden.
Netze oder perforierte Platten gehalten werden.

An Hand einiger Figuren soll die Erfindung noch Patentansprüche:

näher erläutert werden. 1. Brennstoffelement mit ganz oder teilweise

In dem in Fig. 1 schematisch wiedergegebenen 5° aus pulverförmigem Katalysatormaterial bestehen-Brennstoffelement stellt 1 ein Stützgerüst dar, das in den Elektroden, zwischen denen ein beidseitig den Metallblechprofilrahmen 2 eingelegt ist und aus mit elektronisch nichtleitenden Deckschichten einem oder mehreren Nickeldrahtnetzen gleicher versehenes, flüssigen Elektrolyten enthaltendes oder unterschiedlicher Maschenweite bestehen kann. Stützgerüst angeordnet ist, wobei die Elektroden Der Metallblechprofilrahmen besteht aus Stahl- oder 55 mit den zugehörigen Gasräumen und das Stütz-Nickelblech mit einer Blechstärke von etwa 0,15 bis gerüst im Rahmen angeordnet sind, die Zu- und 0,35 mm. Am äußeren Rand des Metallblechprofil- Abführungen für die Reaktanten und den Elekrahmens befinden sich zweidoppelwandigeLaschen3 trolyten aufweisen, dadurch gekenn- und 4, über welche die Zu- bzw. Ableitung des zeichnet, daß als Rahmen für das Stützgerüst Elektrolyten erfolgt. In der gezeigten Ausführungs- 60 (1) ein den Rand des Stützgerüstes (1) umschlieform liegen die beiden Laschen diametral gegenüber. Bender Metallblechprofilrahmen (2) und als Rah-Zu beiden Seiten des Stützgerüstes befindet sich je men für die Elektroden (6, 7) und die zugehörieine Deckschicht aus Asbestfaserpapier, die in der gen Gasräume (14,15) elastische, gegebenenfalls Figur mit 5 bezeichnet ist. Die Asbestpapiere sind mit die Gasräume (14,15) abschließenden Plat-— wie bereits erwähnt — zweckmäßigerweise in 65 ten (12, 13) fest verbundene Metallblechprofilden Bereichen, die an den Metallblechprofilrahmen rahmen (10, 11) vorgesehen sind und daß die angrenzen, hydrophobiert. Sie dienen sowohl zur Metallblechprofilrahmen (2; 10, 11) für das Abdichtung des Brennstoffelementes als auch zur Stützgerüst und die Elektroden und Gasräume

durch die Deckschichten (5) voneinander getrennt und gegeneinander abgedichtet sind.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten (5) aus Asbest bestehen.
3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten (5) in den zwischen den Metallblechprofilrahmen (2, 10,11) liegenden Bereichen hydrophobiert sind.
4. Brennstoffzellenbatterie aus Brennstoff-

elementen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Metallblechprofilrahmen (25) jeweils zwei Elektroden (23) und Gasräume angeordnet sind, wobei die Gasräume durch eine mit dem Metallblechprofilrahmen (25) fest verbundene Platte (26) getrennt sind.
5. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (26) zwischen den Gasräumen aus Wellblech besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen