DE1809878A1

DE1809878A1 - Batterie mit Brennstoffzellen aus einem Festelektrolyt

Info

Publication number: DE1809878A1
Application number: DE19681809878
Authority: DE
Inventors: Eysel Dr Hans Hermann
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1968-11-20
Filing date: 1968-11-20
Publication date: 1970-06-11
Also published as: FR2023679A7; US3615851A

Description

"Batterie mit Brennstoffzellen aus einem Ieatelektrolyt"

Die Erfindung "betrifft eine Batterie mit mehreren aus einem Pestelektrolyt bestehenden Brennstoffzellen für die direkte Umwandlung der "bei der Oxydation eines Brenngases freiwerdenden chemischen in elektrische Energie.

Bei Arbeitstemperaturen von 60O⁰C "bis 120O⁰O besteht im allgemeinen der Elektrolyt aus einer oxydkeramisehen Masse, die eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt und als Pestelektrolyt bezeichnet wird. Er ist beiderseits mit Elektroden und Stromabnehmern versehen. Der einen Elektrode wird der Brennstoff, z.B. Wasserstoff und der anderen Elektrode Sauerstoff, z.B. als Bestandteil der Luft, zugeführt. Der durch die Lage des chemischen Gleichgewichtes bestimmte Säuerstoffpartialdruck ist auf beiden Seiten der Zelle sehr verschieden. Dies führt zur Ausbildung einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden, so daß über einen Yerbraucherkreis der Zelle elektrische Energie entnommen werden kann. Der während des Stromdurchgangs aufgrund dea ionischen leistungsmechanismuses durch den Pestelektrolyten wandernde Sauerstoff setzt sich in der elektrochemischen Anodenreaktion mit dem Brennstoff um. Bei diesen Vorgängen sind im wesentlichen die Kinetik der beiden Elektroden und der Blektrolytwiderstand für den elektrochemischen Wirkungsgrad, die Gleichgewichtslage der Eedoxreak— tion für die Ausnutzungsmöglichkeit des Brennstoffe bestimmendί

Es ist bekannt (z.B. BBO-Mitteilungen 1966» 8.29)« mehrere derartige Zellen zu Batterien zu vereinigen. Bineβ der Hauptprobleme in der Herettilung solcher Batterien ißt die infolge der

hohen Arbeitstemperatur schwierige Technologie der Dichtungen. Insbesondere ist das Verschmelzen der röhrenförmigen Gasräume mit scheibenförmigen Elektrolyten geringer Dicke, und die gleichzeitig notwendigen gasdichten Durchführungen der Stromabnehmer mit Schwierigkeiten verbunden. Schließlich führen die zu einer einwandfreien Handhabung derartiger Verbindungstech-· niken notwendigen Mind.estabmessungen der röhrenförmigen Gasräume zu einer geringen Leistungdichte und einem hohen leistungsgewicht»

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,- die Nachteile bekannter Brennstoffzellen zu vermeiden, insbesondere eine Brennstoffzelle zu schaffen, bei der die Gasräume sehr klein gehalten werden, die Einschmelzung von Stromabnehmern entfällt und durch die besondere Formgebung der Elektrolytscheibe eine Dichtung je Scheibe eingespart wird.

Zur !lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ausgegangen von einer Batterie mit mehreren, aus einem Pe stelektrolyt bestehen-■den Brennstoffzellen für die direkte Umwandlung der bei der Oxidation eines Brenngases freiwerdenden chemischen in elektrische Energie, wobei die in Reihe angeordneten und jeweils einen Teilraum bildenden Brennstoffzellen zu einem zusammenhängenden, das Brenngas enthaltenden Baum verbunden sind und wobei eine Brennstoffzelle auf einer Innenwand des Seilraumes die erste und auf einer Außenwand der Zelle'die zweite Elektrode trägt. Die Erfindung besteht darin, daß jeweils ein Teilraum von zwei aufeinander folgenden Zellen gebildet wird und daß zwischen den Zellen eine temperaturbeständige Dichtung angeordnet ist, deren Dichtwirkung duroh eine die Zellen und die Dichtungen zusammendrückenden Kraft erzeugt wird.

T*t-^*T

"" 3 —

In den Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben. Es zeigen»

Pig. la und Ib einen aus zwei getrennten scheibenförmigen Pestelektrolytkörpern bestehenden Batteriemodul

Pig. 2a bis 2f einen aus einem einstückigen Pestelektrolytkörper bestehenden Bätteriemodul und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Batterie, die aus Batteriemodulen nach den Pig. 2a bis 2f aufgebaut ist.

In der Pig. la ist die erste Scheibe des Moduls mit einem kreisförmigen Querschnitt versehen. Sie weist auf der einen Seite am Rand eine ringartige Erhöhung 1 auf. Innerhalb dieses Randes ist die Brennstoffelektrode Anode I 2 angeordnet. Weiterhin besitzt das Element eine durchgehende Bohrung 3 und auf der Unterseite die auf der Zeichnung nicht sichtbare Kathode I, welche nur im Bereich der Bohrung eine Aussparung besitzt. Von der Anode I führt über den Rand der Scheibe ein streifenförmiger Leiter 4 bis auf die Unterseite der Scheibe in den Bereich der Bohrung, während der streifenförmige Leiter 5 von der Kathode I auf die ringförmige Erhöhung führt. Pigur Ib zeigt die zweite Scheibe des Batteriemodula. Diese weist auf der einen Seite am Rande 3 oder mehrere Erhöhungen 6, 7 auf. Hiervon ist die eine Erhöhung 7 zur Aufnahme der Bohrung 8 verstärkt ausgebildet. Diese Seite des Elementes ist mit der Sauerstoffelektrode Kathode II 9 belegt, welche auch die Erhöhungen 6 überdeckt und durch Letztere beim Zusammenbau mit Kathode I elektrisch leitend verbunden wird* Auf der Unterseite dieses Elementes befindet sich die Anode II unter Aussparung eines ringförmigen Randes. Von der Anode II führt ein streifenförmiger Leiter 10 auf die Oberseite der Erhöhung 7« Über eine der Erhöhungen 6 führt ein etreifenförmiger

009824/1687 . ■ - 4 -

.- 4 - ·■ ■

Leiter 11 auf den elektrodenlosen Rand der Unterseite. Die Leiter 4 und 10 schalten die beiden Anoden I und II des'Moduls parallel. Die Bohrungen 3 und 8 verbinden die mit den Anoden in Berührung stehenden.Gasräume. Die wie geschildert aufeinandergesetzten Elemente Figur la und Ib stellen einen Batteriemodul dar. Die einzelnen Moduln werden unter Einlage eines nur bereichsweise metallisierten Asbestfilzringes aufeinander gestapelt. Dabei entsteht elektrische Parallelschaltung der Batterie, wenn jeweils die Leiter 4 und 10 sowie 5 und 11 zweier Moduln leitend verbunden werden, während zur Serienschaltung die Leiter 5 und 10 zweier Moduln verbunden werden, die Leiter 4 und 11 gegeneinander isoliert werden.

Das Verständnis des fest verbundenen Moduls gemäß Fig.2a bis f ergibt sich durch eine der Figuren la und Ib analoge Bezifferung. In der Fig. 2a ist die Unterseite des Moduls mit der Anode II 12 und den beiden streifenförmigen Leitern 10 und 11 dargestellt. Figur 2b ist ein Schnitt durch den Modul in einer zwischen den beiden Scheiben liegenden Ebene mit der Aufsicht auf die Kathode I 13» welche in dieser Ausgestaltung der Erfindung die Innenseiten aller hier als Brücken zwischen den beiden Scheiben ausgebildeten Erhöhungen 6 und 7 überdeckt und damit mit der Kathode II 9 leitend verbunden ist. Die verstärkte Brücke 7 enthält die durch beide Elemente führende Bohrung Durch diese Bohrung werden wiederum die Brenngasräume der Batterie verbunden. Figur 2c zeigt einen Schnitt AB parallel zur Batterieachse durch die beiden Scheiben eines Moduls. Der Zwischenraum 14 innerhalb des Moduls bildet den Sauerstoff-bzw. Luftraum. Eine Projektion in die OD-Ebene veranschaulicht die geschilderten Merkmale durch Fig. 2d. In Fig. 2e ist nochmals die Oberseite des Moduls mit der Anode I 2 und dem elektrodenfreien erhöhten Rand 1 dargestellt. Figur 2f schließlich stellt den gleichen Schnitt wie 2b in umgekehrter Bliokrichtung dar. Sie zeigt die Kathode II 9.

- 5 -009824/168?

Die beliebig oft aufeinandergestellten Pestelektrolytkörper nach Pigur 1 bzw. Pigur 2 werden au einem oder mehreren. Stapeln in einem gemeinsamen Hüllrohr mittels zweier Plansche 151 16 an den zwischengelegten Dichtungen 17 gasdicht zusammengepreßt. Pigur 3.zeigt dies für eine Batterie mit Pestelektrolytkörpern gem. Pigur 2. Die Rohrstutzen 18, 19 dienen der Brenngasführung, die Rohrstutzen 20, 21 der Sauerstoff— bzw. Luftführung. In der Pigur3 sind die Moduln in Serienschaltung dargestellt, zur Parallelschaltung müssen analog der Beschreibung der ersten Ausgestaltung der Erfindung die Moduln so übereinandergestellt werden, daß die metallisierten Bereiche der Dichtungen jeweils gleichartige Elektroden verschiedener Moduln leitend verbinden» In beiden Pällen sind die Dichtungen an den Planschen nur mit jeweils einem leitenden Bereich versehen, so daß der eine Plansch zum Pluspol, der andere zum Minuspol der Batterie wird.

009824/ 1687

Claims

- 6 Patentansprüche

1. Batterie mit mehreren aus einem Festelektrolyt "bestehenden Brennstoffzellen für die direkte Umwandlung der bei der Oxidation eines Brenngases freiwerdenden chemischen in elektrische Energie, wobei die in Reihe angeordneten und jeweils einen Teilraum bildenden Brennstoffzellen zu einem zusammenhängenden,.das Brenngas enthaltenden Raum verbunden sind und wobei eine Brennstoffzelle auf einer Innenwand des Teilraumea die erste und auf einer Außenwand der Zelle die zweite Elektrode trägt,dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Teilraum von zwei aufeinanderfolgenden Zellen gebildet wird und daß zwischen den Zellen eine temperaturbeständige Dichtung angeordnet ist, deren Dichtwirkung durch eine die Zellen und die Dichtungen zusammendrückende Kraft erzeugt wird. ι ' '

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, diaß die Brennstoffzelle als Zylinderstumpf mit einem zylinderförmigen Mantel und mit auf der Mittelachse senkrecht stehenden Stirnflächen ausgebildet ist, wobei mindestens eine Stirnfläche unter Ausbildung eines ringförmigen Randes (l) eine erste Ausnehmung besitzt, so daß durch die Zusammensetzung zweier aufeinanderfolgender Zellen ein Teilraum " gebildet wird und daß im Zylinderstumpf eine zweite Ausnehmung (14) mit mindestens einer öffnung im zylinderförmigen Mantel vorhanden ist. ·■ '

3· Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Zylinderstumpf einstückig ausgebildet ist (Fig. 2a'bis2f).

4. Batterie naoh Anspruoh 2, dadurch gekennzeichnet» daß der Zylinderstumpf zweistüokig ausgebildet ist (iig.la fcnsd Ib).

. i »I \

2 4/1687 ■ ■"■■-. '

5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 Ms 4> dadurch gekennzeichnet, daß auf den beiden Stirnflächen jeweils die erste Elektrode (12) (Brennstoffelektrode) und auf der Innenwand der zweiten Ausnehmung die zweite Elektrode (15) (Sauerstoffelektrode) angeordnet sind.

6. Batterie nach Anspruch 2, 3 und 5, gekennzeichnet durch eine die beiden Stirnflächen verbindende und sich durch den Zylinderstumpf erstreckende Bohrung (3, 8).

7· 'Batterie nach den Ansprüchen 2, 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle aus zwei kreisförmigen Scheiben besteht, wobei mindestens eine Scheibe auf ihrer einen Seite Distanzkörper (6, 7) aufweist.

8. Batterie nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine einen Distanzkörper (7) durchsetzende und die beiden Stirnflächen miteinander verbindende Bohrung (8).

9. Batterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hantelfläche und/oder den elektrodenfreien ringförmigen Randzonen (l) -der Stirnflächen einer Zelle streifenförmige Leiter (10,11) als Stromabnehmer für die Einzelzelle angeordnet sind, die mit den beiden Elektroden in elektrisch leitendem Kontakt stehen und Parallel- oder Serienschaltung der einzelnen Zellen ermöglichen.

10. Batterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Brennstoffzellen und dem die Zellen umgebenden Hüllrohr Abstandshalter angeordnet sind*

009824/1687

11. Batterie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet» daß das Hüllrohr ■beiderseits von jeweils einem, das Hüllrohr ab schließ enden und die Zellen und Dichtungen aueemmendpüekenden Flansch- . (1,5» 16) abgeschlossen ist, wobei, der eine Flansch (15) unter gasdichtem Abschluß die erste Ausnehmung der einen Zelle abdeckt und in dem anderen Plansch unter gasdichtem Abschluß eine von der anderen ■ Endzelle abgedeckte Ausnehmung vorgesehen ist und wobei die Brenngas-Zu-= und Abfuhr (18, 19) durch die Flansche (15f 16) hindurch erfolgt«

00982 4/1687

Leerseite