DE2109873C3

DE2109873C3 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE2109873C3
Application number: DE2109873A
Authority: DE
Inventors: Henri Vicennes Vandenberghe
Original assignee: Alsthom Atlantique 75794 Paris; Alsthom Atlantique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1970-03-02
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1983-06-16
Also published as: NL171311B; NL171311C; BE763177A; CH526861A; FR2081071A1; JPS5526592B1; NL7102783A; SE367514B; GB1338131A; CA948700A; DE2109873B2; DE2109873A1; US3690954A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art, wie sie aus der FR-PS 13 79 800 und der FR-PS 13 99 765 bekannt ist.

Aus der FR-PS 13 99 765 ist eine Brennstoffzelle der Filterpressenbauart bekannt, die aus aufeinander gestapelten Eiementarzellen besteht. Jede Elementarzelle umfaßt eine erste bipolare Elektrode, einen ersten Rahmen, ein Diafragma, einen zweiten Rahmen und eine zweite bipolare Elektrode.

Die Elektroden enthalten einen zentralen waffelartigen Teil, der in einem Rahmen sitzt, der zwei horizontale Aussparungen und zwei vertikale Aussparungen aufweist. Der erste Rahmen enthält zwei identische vertikale Aussparungen, sein zentraler Teil ist frei und an beiden Horizontalseiten ist eine zinnenförmige Ausnehmung vorgesehen. Das Diafragma enthält ebenfalls vjir Ausnehmungen, die den vorgenannten Ausnehmungen der Elektrode identisch sind. Der zweite Rahmen ist zu dem ersten Rahmen identisch.

Abflußleitungen (6) für die Elektrolyte, andererseits 30 jedoch gegenüber diesem um 90° gedreht.

mindestens eines ersten auf der anderen Seite der Bestandteile liegenden Längskanals (SL) mit einem ersten in der Endplatte liet-nden Hohlraum (7) herstellt, in welch letzteren einzeln die Zuflußrohre (8) der einen Reihe von gleich» iigen Zellenhälften und mindestens ein Zuflußanschluß (9) für den das Reagenz mit sich führenden Elektrolyten münden und mindestens ein auf derselben Seite der Bestandteile wie der vorhergehende liegender zweiter Längskanal (SR) mit einem zweiten in der Endplatte (P) liegenden Hohlraum (10) vorgesehen ist, in den einzeln die Zuflußrohre (11) der anderen Reihe von gleichartigen Zellenhälftcn und mindestens ein Zuflußanschluß (12) für den ein anderes Reagenz mit sich führenden Elektrolyten münden, und eine zweite Platte (P') am anderen Ende der vollständigen Brennstoffzelle die Verbindung einerseits der auf der anderen Seite der Bestandteile liegenden Längskanäle (5) mit den Zufluß- und Abflußleitungcn für die Elekirolyte. andererseits mindestens eines ersten auf der ersten Seite der Bestandteile liegenden Längskanals mit einem ersten in der Endplatte liegenden Hohlraum herstellt, in welche letzteren einzeln die Abflußrohre der einen Reihe von gleichartigen Zellenhälften und mindestens ein Abflußanschluß für den Elektrolyten münden, und mindestens ein auf derselben Seite der Bestandteile wie der vorhergehende liegender zwe'ter Längskanal mit einem zweiten in der Endplatte liegenden Hohlraum vorgesehen ist, in den einrein die Abflußrohre der anderen Reihe von gleichartigen Zellenhälften und mindestens ein Abflußanschluß für den Elektrolyten münden.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne·. Haß die Zuflußanschlüsse (9, 12) für den ein Reagenz mit sich führenden Elektrolyten oder die Abflußanschlüs'c in die Hohlräume näher bei ilen Längskanälen (5) münden als die Zufluß-Wenn diese Komponenten zusammengefugt sind, befinden sich die Elektroden in den zentralen Ausnehmungen der Rahmen und die Aussparungen am Rande bilden zwei horizontale und zwei vertikale Kanäle. Die horizontalen und die vertikalen Kanäle münden in Anschlußstutzen an einer Endplatte.

Aus der FR-PS 13 79 800 ist ein zu dem vorstehend

beschriebenen etwas unterschiedlicher Aufbau bekannt.

Die Brennstoffzelle nach dieser Druckschrift besteht

«0 aus einer Einheit von Halbzcllen. Diese umfassen eine isolierende Trennwand mit zwei horizontalen und zwei vertikalen Schlitzen, einen Rahmen mit zwei vertikalen Schlitzen, eine Elektrode mit offener Struktur, deren Rahmen zwei vertikale Schlitze aufweist, und einen weiteren Rahmen, der zu dem ersten Rahmen identisch ist sowie schließlich eine semipermeable Membran. Die Elektrode und die beiden Rahmen, die zwischen der Trennwand und der Membran angeordnet sind, bilden eine Halbzelle. Die andere Halbzelle besteht aus einer

^5C Elektrode und zwei Rahmen, die zwischen der Membran und einer weiteren Trennwand angeordnet sind Die Elemente der zweiten Halbzelle sind denjenigen der ersten Halbzelle identisch, jedoch gegen diese um 90' in bezug auf die Achse des Brennstoffelementes gedreht.

Wie bei der zuerst beschriebenen Vorrichtung sind die Bestandteile zwischen zwei Endplatten angeordnet, in denen Anschlüsse für die schlitzförmigen Kanäle zur Zuleitung und Ableitung von Elektrolyt mit Reagenzien vorgesehen sind.

Des weiteren sind aus den französischen Patentschriften 15 22 304, 15 22 305 und 15 22 306 Brennstoffzellen bekannt, die mit einem jeweils von einem umlaufenden Elektrolyten mitgeführten Oxydationsmittel und Reduktionsmittel arbeiten und deren besonderer Vorzug es ist.

daß eine große Anzahl von Elementarzellen uurch Stapelung einer begrenzten Zahl unterschiedlicher Bestandteile in sich stets wiederholender Aufeinanderfolge zusammengefügt werden kann, wobei die Bestand-

teile so ausgebildet sind, daß sie bei der Stapelung gewissermaßen von selbst eine aus Elementarzellen, von denen jede durch eine semipermeable Membran in zwei Zellenhälfien geteilt wird, bestehende Anordnung bilden, sowie ein Kanalnetz, das alle Zellenhälften der gleichen Polarität mit einem einzigen Zufluß und einem einzigen Abfluß verbindet Gleichzeitig wird durch die Stapelung der entsprechend ausgebildeten Bestandteile gegebenenfalls die Hintereinanderschaltung der Elementarzellen erreicht, in der der eines der Reagenzien in gelöster oder emulgierter Form mit sich führende Elektrolyt eine der Zellenhälften jeder Zelle durchströmt und zwar gleichzeitig parallel zur Mittelebene der Elektrode und parallel 7U dem das andere Reagenz mit-sich-führenden Elektrolyt, der die andere Zellenhälfte durchströmt Die Anordnung aus Brennstoffzellen ist zwischen zwei Endplatten eingespannt, die den Zusammenhalt der ersteren gewährleisten. Diese Endplatten sollen sowohl den Durchgang der die Reagenzien mitsichführenden Elektrolyten ermöglichen als auch den Zufluß und den Abfluß dieser Elektrolyten zu bzw. von der Brennstoffzellenanordnung. Diese Brennstoffzellen arbeiten nach elektrolytischen Verfahren, wie sie beispielsweise in den französischen Patentschriften 15 22 308, 15 22 309 und 15 86 128 beschrieben sind. Die hierfür verwendeten Elektroden sind aus den französischen Patentschriften 15 22 303, 15 22 307.15 74 016 und 15 84 577 bekannt

in der französischen Patentschrift 15 35 744 ist eine Anordnung zum Einspannen sowie zur Zuführung und Abführung der Reagenzien für Brennstoffzellenanordnungen beschrieben, die aus zwei Plattensätzen besteht, welche an den Enden des Brennstoffzellenstapels angebracht und so ausgebildet sind, daß die Gesamtanordnung mechanisch verbunden werden kann, wobei ein Plattensatz die Zuführung der die Reagenzien mitsichführenden Elektrolyte durch zwei Zuflußanschlüsse gestattet, die in Zuflußrohre für die Zellenanordnung übergehen, während der andere Plattensatz die Entnahme der Elektrolyte und der Reagenzien aus den Abflußrohren der Zellenanordnung über Abflußanschlüsse gestattet. Der Plattensatz zur Zufuhr der die Reagenzien mitsichführenden Elektrolyte ist dabei aus Platten zusammengesetzt, die gegenseitig verschraubt sind und in bestimmter Weise angeordnete Ausnehmungen aufweisen, welche die Zuflußanschlüsse der verschiedenen die Reagenzien mitsichführenden Elektrolyten für sich getrennt mit den entsprechenden Zuflußrohren der Zellenanordnung verbinden. Der Plattensatz für den Abfluß dnr Elektrolyten besteht aus einer oder mehreren miteinander verschraubten Platten, die wiederum so bearbeitet sind, daß sie getrennt oder gemeinsam die Abflußrohre der Brennstoffzellenanordnung mit einer oder mehreren Abflußanschlüssen verbinden. Diese voi bekannte Anordnung ist relativ kompliziert zusammengesetzt. Sie enthält nämlich an jedem Ende drei verschiedene Platten, die übereinaiidergelegt die notwendigen Verbindungen der verschiedenen Rohre bzw. Leitungen innerhalb der Brcnnsloffzellenanordnung ergeben. Außerdem müssen die Zuflußanschlüsse zwangsläufig auf der einen Seite der Anordnung und die Abflußanschlüsse auf der anderen Seite der Anordnung liegen und die verschiedenen Zufluß- und Abflußanschlüsse kreuzen sich notwendigerweise, so daß der Abflußanschluß für einen Elektrolyten beispielsweise auf der linken Seite der entsprechenden Endplatte ist, wenn der zugehörige Zuflußanschluß rechts liegt und umgekehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Vielzahl von möglichen Kombinationen für den Zufluß und den Abfluß der Elektrolyten der Brennstoff-Zellenanordnung sowie die Versorgung mehrerer Brennstoffzellen hintereinander und die Einführung von Hilfsreagenzjen ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben. Diese Ausbildung der Brennstoffzellenanordnung . bietet mehrere Vorteile: Sie gestattet die elektrische Verbindungen und die Flüssigkeitsverbindungen der Zellen in verschiedene Bereiche zu verlegen und gegebenenfalls die Zuflußanschlüsse und die Abflußan-Schlüsse für die Flüssigkeiten auf ein und derselben Seite der Endplatten anzuordnen. Insbesondere kommt die Anordnung jedoch mit einer einzigen Endplatte an jedem Ende aus, was die Gefahr von Undichtigkeiten und des Übertritts selbst geringster Mengen des das eine Reagens mitsichführenden Elektrolyten in den das andere Reagens mitsichführenden Elc/.trolyten verhindert.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Anordnung gelingt eine gute Homogenisierung der Flüssigkeiten vor ihrem Eintritt in die Zellenhälften oder ihre.« Austritt aus der Anordnung dadurch, daß die Zuflußanschlüsse für den ein Reagens mitsichführenden Elektrolyten oder die Abflußanschlüsse in die Hohlräume näher bei den Längskanälen münden als die Zufluß- oder Abflußrohre der beiden Reihen jeweils unter sich gleichartiger Zellenhälften.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Anordnung sind die Hohlräume der Endplatten etwa trapezförmig ausgebildet

In der Zeichnung ist eine beispielsweise gewählte Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine für den Aufbau kompakter Brennstoffzellen durch Stapelung geeignete Elektrode, die nach der Erfindung mit den Elektrolyten gespeist wird.

Fig.2 eine Endplatte einer Brennstoffzellenanordnung zur Verdeutlichung der «Art der Zuführung bzw. Abführung der Elektrolyten und

Fig.3 einen Längsschnitt durch eine Brennsioffzel- «5 lenanordnung zur weiteren Verdeutlichung der Art der Speisung mit den Elektrolyten.

Die in Fig. 1 dargestellte bipolare Elektrode enthält in ihrem mittleren Teil 1 mit länglichen Vorsprüngen versehene Flächen, die sich aus dichten Folien aus einem elektrisch leitenden Werkstoff erhalten lassen. Zum Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung werden diese Elektroden unter Zwischenlegung jeweils eines semipermeablen Diaphragmas, d. h. einer halbdurchlässigen Membran, übereinandergelegt. Die Elektrode selbst ist von einem Kunststoffrahmen 30 umgeben, in dem Offnungen 2 und MiKrokanäle 3 angeordnet sind, die zusammen ein Kanalnetz für die Zuführung und Abführung von wenigstens zwei Flüssigkeiten bilden, welches die Zirku'^tion eines ein oder mehrere Μ· Reagenzien mitsichführenden Elektrolyten auf jeder Fläche der Elektrode parallel ZU deren Miltelebene gestattet. Im dargestellten Beispiel besteht das System von Vorsprüngen des mittleren Teiles 1 jeder Elektrode aus mehreren Einzelreihen, deren jede einen zu den Kanten der Elektrod; parallelen Streifen einnimmt, zwischen denen der Elektrolyt strömt und die auf diese Weise nacheinander durch den Elektrolyten umströmt werden. Jeder einzelne Streifen besteht aus einer

Anordnung länglicher Vorsprünge, die kontinuierlich oder diskontinuierlich, gerade oder gekrümmt und untereinander parallel sein können, und dabei um einen von Null verschiedenen Winkel in bezug auf die Kanten der Elektrode geneigt sind. Die Vorsprünge zweier aufeinanderfolgender Streifen ein und derselben Elektrode verlaufen in unterschiedlichen Richtungein, so daß die mittlere Richtung des Elektrolytstromes auf der Elektrode senkrecht zu den Kanten der Elektrode, zwischen denen diese Strömung stattfindet, gerichtet ist. Nach der Erfindung sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten 30öund 307"des Umfangsteilcs jedes Bestandteiles der Brennstoffzelle, also jeder Elektrode, öffnungen 4 und Q derart angebracht, daß die Stapelung der verschiedenen Bestandteile Längskanäle ergibt, die in den F i g. 2 und 3 bei 5ß, 5L und 5ß dargestellt sind und die die Brennsioffzellenanordnung senkrecht zur Mittelebenc ihrer Bestandteile durchziehen, ohne mit ten und wenigstens ein Zuflußanschluß 9 munden. Die beiden anderen oben gelegenen Längskanälc 5/? stehen in Verbindung mit einem zweiten Hohlraum 10, der in der Platte Pin einem Bereich vorgesehen ist, der durch zwei andere Ebenen begrenzt wird, als der Hohlraum 7 und in den getrennt die Zuflußrohre U der anderen Reihe gleichartiger Zellenhälften und wenigstens ein Zuflußanschluß 12 münden.

Die zweite links in Fig. 3 dargestellte Platte P ist

to symmetrisch zu der ersten in bezug auf die Mittelebene der Rrennstoffzellenanordnung. die parallel 7ti den Seiten verläuft, die "nit den Längskanälen 5 verschen sind, angebracht.

Die beschriebenen F.ndplatten funkt P' können vorteilhaft durch Guß mit sogenanntem verlorenem Wachs erhalten werden. Man verwendet da/n schmelz bare oder lösliche Kerne. Der fiuß um diese Kerrie herum kann mil kalt oder heiß gießfähigen, gegebenen

Verbindung zu stehen.

Die Endplatte /^ ist in F i g. 2 in der Aufsicht und zusammen mit den anderen Bestandteilen der Anordnung in F i g. 3 im Schnitt dargestellt. Sie gewährleistet einerseits die Verbindung der auf der einen beispiclswei se unteren Seite liegenden Längskanäle 5 der Bestandteile mit den Anschlüssen 6 zur Verbindung mit den Zufluß- bzw. Abflußleitungen für die Elektrolyten und andererseits die Verbindung von mindestens einem auf der anderen Seite liegenden Längskanal 5 (im gewählten Beispiel die zwei oben gelegenen Kanäle 5/. mit einem ersten Hohlraum 7, der in der genannten Platte P angeordnet ist und in den einzeln die Zuflußrohre 8 einer Reihe von gleichartigen Zellenhälf-Ό werden, die je nach den geforderten Eigenschaft.η entweder kalt oder heiß polymerisieren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, diese Platten in mehren· Stücke zu unterteilen, die einzeln durch entsprechende Bearbeitung gefertigt und .lnschlicßend zusammenge·

:> setzt werden.

Die Endplattcn können vorteilhaft mittels Mctallplaiten armiert werden.

Durch ' .'rwendung zweier versch edener Eiulplatten, die eine Vertauschung der Verbindung zwischen den

in Hohlräumen und dem Kanalnetz aufweisen, können parallele Zuflüsse und Abflüsse flir die Flüssigkeiten erhalten werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:
t. Brennstoffzelle mit zwischen zwei Endplatten in abwechselnder Reihenfolge gestapelten Bestandteiien, wie Elektrodenelementen und Diafragmaschichten, wobei die Bestandteile in ihren Randbereichen öffnungen aufweisen, die im zusammengesetzten Zustand ein erstes Kanalnetz für die Zuleitung und Ableitung eines Elektrolyten mit einem ersten Reagenz, das jeweils mit dem Raum an einer Seite der Elektrodenelemente verbunden ist, und ein zweites Kanalnetz für die Zuleitung und Ableitung eines Elektrolyten mit einem zweiten Reagenz, das jeweils mit dem Raum an der anderen Seite der is Elektrodenbleche verbunden ist, bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zu zwei Seiten des Randbereiches (305, 307} jedes Bestandteiles (1,1') wenigstens zwei Öffnungen (4, 4') vorgesehen sind, die sich bei Stapelung der verschiedenen Bestandtei-Ie (1,1') zu Längskanälen {5 L 5 R, 5 B) zusammenfügen, die die vollständige Brennstoffzelle senkrecht zur Mittelebene ihrer Bestandteile durchziehen und nicht mit dem Innenraum der aus zwei Elektrodenelementen gebildeten Elemeniarzelle in Verbindung stehen, und daß eine erste Platte (P) am einen Ende der vollständigen Brennstoffzelle die Verbindung einerseits der auf der einen Seite der Bestandteile liegenden Längskanäle (5) mit den Zufluß- und oder Abflußrohre (8) der beiden Reihen jeweils unter sich gleichartiger Ze||enhälften.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (7, IG) etwa trapezförmig ausgebildet sind.