DE2132641A1 - Elektrochemische Zellenschicht - Google Patents

Description

DR. WALTER NIELSCH

Patentanwalt

2 Hamburg 70 · Postfach 10914 Fernruf: 6529707

Elektrochemische Zellenschicht

United Aircraft Corporation, East Hartford, Conn. 06 1OÖ (Vereinigte Staaten von Nordamerika, Delaware)

Diese Erfindung bezieht sich auf elektroo&emiacüe Zellen, wie Brennstoffzellen und Elektrolysezellen und besonders auf Zellen in Plattenform.

Herkömmliche elektrochemische Zellenschichten haben viele Nachteile. Beispielsweise benötigen sie meistens bipolare Platten oder Kühlplatten zur Gasabtrennung und diese Platten benötigen viel an Gewicht und an Volumen einer Zellenschicht. Die Spannung erhöht sich pro Einheit der Zellenschichtlänge als Funktionuder Zellenspannung und Zellendichte (Zellen pro Einheit der Zellenschichtlänge). Wenn die Kraftanforderung steigt, werden hohe Spannungswerte erforderlich, um den Strom zu reduzieren und da Kraftverluste gemäß ITl erfolgen· In einer herkömmlichen Zellenschichtanordnung führt dies zu langen dünnen Zellenschichten, wobei das Zellgehäusegewicht den vorherrschenden Faktor im Zellgewicht darstellt. Die aktive Zellenfläche erhöht sich im Quadrat der Zellabmessungen während das Gehäusegewicht sich linear mit den Zelldimensionen erhöht. Herkömmliche Zellenschichten benutzen im allgemeinen herausragende Stücke oder Stromabnehmerteile als Stromsammelteile. Die herausragenden Stücke für die Stromsammlung sind empfindlich auf die Zellenschichtkompressionsladung und das Kompressionserfordernis führt zu einer Erhöhung im Zellenschichtgewicht. Die Stromabnehmerteile verwenden die elektrische Leitung in der Fläche der Elektrode. SpannungsVerluste

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werden durch die Zellengeometrie und Elektrodenleitfähigkeit bewirkt. Die Zellenschicht geometrie mit dem Minimalgewicht ergibt einen langen Leitungsweg und daher schlechte Leit-.fähigkeit. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit den Problemen, die mit Zellenschichten bekannter Art verbunden sind.

Ein Ziel dieser Erfindung ist es, einen einheitlichen flexiblen Typ einer elektrochemischen Zellenschicht zur Verfügung zu stellen, der eine verbesserte Abdichtung, Stromabführung und Abfallhitzeentfernungsmöglichkeiten bietet.

w Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, eine elektrochemische Zellenschicht zur Verfügung zu stellen, die eine bisher unbekannte Gestaltungsflexibilität besitzt und die leichtgewichtig und kleinvolumig im Vergleich mit bisher bekannten Zellen ist.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrochemische Zellenschicht zur Verfügung zu stellen, die zufriedenstellend plattenförmig ausgebildet sein kann und danach in jede gewünschte Anordnung gerollt oder gebogen werden kann«

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrochemische Il Zellenschicht, welche die vorstehenden Ziele und andere zu erreichen gestattet, durch die Kombination von mindestens zwei Zellen erhalten, bei der die Elektrode einer Zelle die Gegenelektrode der anderen Zelle ist und wobei die Zellen durch elektrisch nicht leitende Abdichtungsmittel getrennt sind und eine Elektrolytmatrix zwischen der Brennstoffgaselektrode und der Oxidierungsgaselektrode jeder Zelle angeordnet enthalten. In spezifischer Weise beginnt eine erste Elektrode in einer Zelle und kreuzt die Zentrallinie der Zellenschicht im wesentlichen in dem elektrisch nicht leitenden Abdichtungsmittel, welches die Zelle von seiner

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benachbarten Zelle trennt und die.Gegenelektrode der benachbarten Zelle wird und darin endet.

Da die Erfindung nur zwei Zellen benötigt, ist ersichtlich, daß gemäß der vorliegenden Beschreibung eine.Serie von vielen Zellen vorteilhaft plattenförmig, wie in Fig. 1 dargestellt, angeordnet werden kann. Nachdem die Zellen so angeordnet sind, kann die Platte in Streifenzellen ausgerollt werden, wie in Fig. 2 dargestellt oder in Ringzellen, wie in Fig. 3 gezeigt oder in anderer Gestaltung oder Form, je nach Bedarf gebogen oder gerollt werden.

Die Stromübertragung von Zelle zu Zelle geschieht durch die Elektrode, welche sich in der benachbarten Zelle fortsetzt. Die Matrix jeder Zelle endet in Zwischenzellabdichtungsmitteln, wie dies die anderen der Elektroden tun. Die Elektrode, die sich durch das Abdichtungsmittel fortsetzt, wird die Gegenelektrode der benachbarten Zelle. In dieser Art setzt sich die Anode einer Zelle fort, um die Kathode der benachbarten Zelle zu werden und eine Serie von Zellenschichten zu bilden.

Andere Aufgaben, Ausbildungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch die beigefügten Zeichnungen und die ins einzelne gehende Beschreibung, die eine bevorzugte Ausbildung verdeutlichen.

Fig. 1 ist eine Zeichnung von vier Zellen in Serie gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig, 2 ist eine Zeichnung, die die elektrochemischen Zellen der vorliegenden Erfindung in Form von Streifenzellen darstellt.

. 3 ist eine Zeichnung, die elektrochemische Zellen der vorliegenden Erfindung in Ringzellen angeordnet zeigt.

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Fig. 4 ist eine Zeichnung, welche ein Regenerativ-Brennstoffzellensystem zeigt, bei dem die elektrochemischen Zellen der vorliegenden Erfindung mit ausgezeichnetem Vorteil verwendet werden können,

■ Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Anordnung aus vier elektrochemischen Zellen.gemäß der vorliegenden Erfindung in Serie angeordnet gezeigt. Eine Elektrode 2 der ersten Zelle erstreckt sich durch das Abdichtungsmittel 6 und wird die Gegenelektrode β der benachbarten Zelle 10, wo sie endet· Eine zweite Elektrode 12 iet getrennte von der ersten Elektrode P in der ersten Zelle 4 mit einer Elektrolytmatrix 14 und endet in der ersten Zelle. Das Ende 16 der Elektrode 12 kann durch die Abdichtungsmittel 1Ö gehen und zufriedenstellend eines der Stromleiter für die Zellenschicht sein. In der Zelle to beginnt eine dritte Elektrode 20 und erstreckt sich durch das Abdichtungsmittel 22, um die Gegenelektrode 24 der benachbarten Zelle 26 zu werden, wo sie endet. Eine vierte Elektrode 26 beginnt in der dritten Zelle 26 und erstreckt sich durch das Abdichtungsmittel 30 und in die benachbarte Zeile 32, wo sie die Gegenelektrode 34 dieser SSelle wird und darin endet. Eine fünfte Elektrode 36 in der feelle 32 kann durch das Abdichtungsmittel 3Ö gehen und zufriedenstellend den anderen Stromleiter 40.bilden.

Die Elektroden der Erfindung sind vorzugsweise vom Gittertyp an sich bekannter Art, aber die Erfindung ist nicht auf die Verwendung dieser beschränkt, Die Abdichtungsmittel können aus Elastomeren oder aus gehärteten Epoxyharzen oder anderen dielektrischen, an sich bekannten Materialien bestehen. Die Elektrolytmatrix besteht vorzugsweise aus Asbest, kann aber auch aus anderen dochtartigen Typ-Materialien bestehen, wie farbigem Kaliumtitanat und anderen bekannten dochtartigen Typ-Materialien, die beständig in der Anwesenheit eines korrosiven Elektrolyten sind»

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Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine elektrochemische Zellenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die in eine streifenförmige Zellenformation gerollt wurde. Die Konstruktion der Streifenzellenschicht ist dadurch verwirklicht, daß die Schicht in Streifenform angefertigt wurde und dann leicht in ihre Anordnung gebracht werden kann. Wie ersichtlich ist, beginnt eine Elektrode 50 in der ersten Zelle 52 und endet an der Gegenelektrode 54 in der benachbarten Zelle 56 nach Durchgang durch das Abdichtungsmittel 50.-Die Elektrode 60 ist von der Elektrode 50 durch eine Elektrolytaufbewahrung 62 getrennt. Beide beginnen und endigen in der Zelle 52. In.gleicher Weise beginnt und endet Elektrode 66 in der Zelle 64. Kraftanschlüsse werden an die Elektroden 60 und 66 an den Punkten 61 und 67 ' angebracht, um Strom aus der Zellenschicht zu entnehmen oder Strom zuzuführen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer elektrochemischen Zellenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Zellenplatten als eine Serie von ringförmigen Zellen 70, 72, 74 und 76 angeordnet sind, die durch die Dichtungsteile 7Ö, Ö0, Ö2 bzw. #4 unterteilt werden. Der Aufbau des Ringzeilenschichtaufbaus kann so eingeführt werden, indem man den Schichtaufbau in Plattenform herstellt und dem Aufbau durch Biegen die gewünschte ringförmige Ausbildung gibt,

Fig. 4 zeigt ein Regenerativbrennstoffzellensystem, in welchem der erfindungsgemäße Zellenaufbau eine besonders vorteilhafte Verwendung findet. In diesem System kann die vorliegende Erfindung sowohl im Brennstoffζellenschichtaufbau, wie dieser allgemein bei 90 dargestellt ist, Anwendung finden, als. auch beinElektrolysezellschichtaufbau, wie dieser allgemein bei 92 in Form von Ringzellen verdeutlicht ist. Der Brennstoffzellen— schichtaufbau 9° ist radial innerhalb des Gehäuses 94 angeordnet und die äußere Wandung 96 ist dttrch ,ein elektrisch nichtleitendes Rippenstück 9Ö getXOQX&t, wodurch ein Sauerstoffdurchgang 100

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zwischen dem Brennstoffzellenschichtaufbau 90 und der Wandung 96 erreicht wird. Eine erste Wasserlagerungsmatrix 102 ist benachbart zum Brennstoffzellenschichtaufbau 90 angeordnet. Eine zweite Wasserlagerungsmatrix 104 ist benachbart zur Matrix 1O2 angeordnet und so ausgebildet, um einen Wasserstoffdurchgang 106 dazwischen zu bilden, wobei dazwischen ein elektrisch nichtleitendes Gitter 10Ö angebracht ist« Wie es für den Fachmann bekannt ist, müssen die Wasserlagerungsmatrices 102 und 104 Unterbrechungen in der Elektrodenkreuzungsregion (wie in Fig. 4 dargestellt) .aufweisen, um.-Kurzschlüsse und Kurzschluß-

fe ströme zu vermeiden. Der Elektrolysezellenschichtaufbau 92 gemäß der vorliegenden Erfindung ist radial benachbart ausgebildet, die Matrix IO4 ist unterteilt durch eine Wandung 110 mittels eines elektrisch nichtleitenden Gitters 112, wodurch ein Sauerstoff durchtritt II4 zwischen dem Elektrolysenzellenschichtaufbau 92 und der Wandung 110 gebildet wird. Sauerst offlagerungsmittel Ho und ]1Ö sind an den Enden des Gehäuses 94 angebracht und.stehen mit den Sauerstoffdurchgängen 100 und 114 in Verbindung. Die Wasserstoff aufbewahrungsvorrichtung 120 ist mit der Wandung 110 umgeben, die Wandung 122 und die Wandung124 stehen"in Verbindung mit dem Wasserstoffdurchgang 106. Eine Gasabdichtung 126 ist angebracht, um den Wasserstoffdurchgang 106 von der Verbindung mit den Sauerstoffdurchgängen

ψ 100 und 114 abzudichten. Die Wandung 124 ist mit einer Öffnung 12Ö in einer Druckdose 130 versehen, um die.Wasserstoff- und Sauerstoffdrucke immer sofort auszugleichen. Für eine vollständige Beschreibung der Regenerativbrennstoff-Äelle wird auf die deutsche Patentanmeldung P der gleichen Anmelderin mit dem gleichen Anmeldetag.und der Bezeichnung Regenerativbrennstoffzelle hingewiesen. Das Brennstoffzellensystem, welches in Fig. 4 dargestellt ist, bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung selbst," aber es ist deshalb dargestellt, um eine vollständige Ausbildung zu zeigen, bei der die vorliegende Erfindung vorteilhaft Verwendung finden kann·

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Es kann aus der Zeichnung entnommen werden, daß eine Elektrode 140 der Brennstoffzelle 90 die Sauerstoffelektrode der ersten Zelle ist und die Wasserstoffelektrode 142 der angrenzenden Brennstoffzelle wird (wobei die Abdichtungsmittel zwischen den angrenzenden Zellen aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden,) Ebenso wird in der Elektrolysezelle 92 die Sauerstoffelektrode 144 die Wasserstoffelektrode I46 der angrenzenden Zelle (wieder ist aus Gründen der Deutlichkeit das Abdichtungsmittel zwischen den angrenzenden Zellen weggelassen worden.) Auf diese Weise wird Strom von Zelle zu Zelle ohne die üblichen herausragenden Stücke, Abgriffe und dergleichen der bisher bekannten Art weitergeleitet.

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Claims (5)

1. Patentansprüche:

   '' Eine elektrochemische Zellenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Zelle eine erste Elektrode einschließt, eine zweite Elektrode in der ersten Zelle endet und eine erste ■ Elektrolytmatrix dazwischen angeordnet ist und eine zweite Zelle, angrenzend zur ersten Zelle mit dazwischen nichtleitendem Abdichtungsmittel angeordnet ist und die erste Elektrode sich durch das Abdichtungsmittel fortsetzt und die Gegenelektrode der zweiten Zelle wird und in der zweiten Zelle endet und die zweite Zelle eine dritte Elektrode einschließt, die von der ersten Elektrode durch eine zweite Elektrolytmatrix getrennt ist»

   elektrisch
2. 2.) Elektrochemische Zellenschicht nach Anspruch 1, worin die erste Elektrode die Anode der ersten Zelle ist und die Kathode der zweiten Zelle nach Durchgang durch das Abdichtungsmittel wird, worin die zweite Elektrode die Kathode der ersten Zelle wird und worin die dritte Elektrode die Anode der zweiten Zelle ist.
3. 3.) Elektrochemische Zellenschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode die Kathode der ersten Zelle ist und die Anode der zweiten Zelle nach Durchgang durch das Abdichtungsmittel wird, worin die zweite Elektrode die Anode der ersten Zelle ist und worin die dritte Elektrode die Kathode der zweiten Zelle ist,
4. 4.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von den Zellen in Serie angeordnet ist, um eine Streifenzellenbaugruppe zu bilden,
5. 5.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sine Mehrzahl von den Zellen in Serie angeordnet. ist, um eine Baugruppe von Ringzellen zu bilden.

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   L e e r s e i t e