DE2214412C3 - Bipolare Niederdruckelektrode für Gasbrennstoff batterien - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine bipolare Nieder- «Jruckelektrode für Gasbrennstoffbatterien mit zwei flächigen aktiven Schichten, die durch einen größeren, «wischen ihnen befindlichen gas- und elektrolytundurchlässigen Kohlenstoffträger getrennt sind, der in <ler Nähe des Randes Löcher für die Gasversorgung »ufweist, wobei die Gasräume durch Kanalsysteme gelbildet sind.

Es sind bereits bipolare Elektroden für alkalische und saure Brennstoffbatterien bekannt. Für alkalische Brennstoffbatterien wird vielfach der Gasraum und die kontaktierende Trennwand durch wellblechartige Metallteile gebildet. Für bipolare Niederdruckelektroden in saurem Elektrolyten ist eine derartige Ausbildung nicht verwendbar, da es keine preislich geeigneten Kontaktmetalle gibt. Für Brennstoffbatterien mit saurem Elektrolyten ist es bekannt, den Gasraum und die kontaktierende Trennwand durch eine beidseitig berippte Platte zu bilden, die aus durch Goldbeimengun leitend gemachter Sinterkeramik oder aus starrer Elektrographit mit beidseitig ko.ntaktierend aufgelegte Anode und Kathode besteht. Zur Gaszuführung un -verteilung hat die Elektrode ein offenes Kanalsyster paralleler Stege, durch welches das Gas über die ganz Breite einer Seite der Elektrode eingeleitet und an de gegenüberliegenden Seite ausgeleitet wird. Für de; Ein- und Austritt des Gases sind große Schlitze vorge sehen. Diese Ausbildung bedingt, daß die Ein- und Aus laßschliize in breite Versorgungskanäle münden, dii am Äußeren der Batterie zusätzlich angebracht werdei müssen. Durch diese Kanäle wird das Gesamt-Batterie volumen sehr vergrößert.

Es ist auch eine flache poröse Kohleelektrode fü Brennstoffelemente bekannt, die in einem Rahmen ge halten wird. An seiner Ober- und Unterkante ist de Rahmen mit Löchern für die Zu- und Abführung dei Gase und des Elektrolyten zu den Flächen der Elektro de vorgesehen. Jede Rahmenseite ist mit einer läng; seines Umfangs verlaufenden Nut für die Aufnahme eines O-Rings versehen, der jeweils die Löcher für die Gas- und Elektrolytzu- und -abfuhr einschließt. Aucr diese Löcher sind mit Nuten zur Aufnahme von O-Ringen versehen. Die Elektrodenschicht ist starr mit derr Rahmen verbunden. Um eine ausreichende Dichtung zu erhalten, müssen neben den den Löchern zugeordneten Dichtungen auch noch auf jeder Seite des Rahmens je eine längs des Umfangs verlaufende Spezialdichtung vorgesehen sein (DT-AS 14 21 630).

Es ist ferner bekannt, die Elektrodenschichten am Rand völlig starr in eine Vergußmasse einzubetten oder in einen besonderen Rahmen einzukleben (DT-AS 12 25 256). In beiden Fällen ist ein mechanisches Arbeiten der Elektrode bzw. der Schichten problematisch. Da das Einspannmaterial stets andere Eigenschaften hat als das eigentliche Elektrodenmaterial (unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizient) und sich demgemäß beide Materialien unterschiedlich verhalten, kommt es zu mechanischen Spannungen in den Elektrodenschichten. Bei Ausbildungen mit einem Rahmen ergeben sich ferner Schwierigkeiten der Herausführung des Gases an den Rahmenrand und es muß dafür Sorge getragen werden, daß dieser vollkommen dicht an die Elektrodenschicht anschließt. Das ist infolge der temperaturbedingten Spannungszustände kaum auf Dauer zu gewährleisten. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, zu verhüten, daß der für die Gasführung vorgesehene Kanal nicht durch Dichtungsmaterial verschlossen wird.

Es ist auch bereits bekannt, das in den Gasraum eintretende Gas durch am Einlaß angeordnete Führungen in mehrere Teilströme aufzuspalten und nach Durchlaufen der Elektrode die Teilströme wieder zu einem Strom zusammenzufassen (US-PS 32 98 867).

Durch die DT-AS 12 53 130 ist die Herstellung von Graphitschaumkörpern bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bipolare Niederdruckelektrode zu schaffen, bei der das Gas ohne große Druckverluste frei über die gesamte Elektrodenfläche strömen kann, so daß damit großflächige Elektroden und ein Betrieb mit verunreinigten Gasen ermöglicht ist. Trotzdem soll die Abdichtung des Gasein und -auslasses einfach sein. Die Elektroden sollen ohne Lebensdauer begrenzende, elektrolytsperrende, gasseitige Hydrophobierung arbeiten. Da insbesondere für saure Brennstoffzellen keine preislich geeigneten Metalle zur Verfugung stehen, soll der Aufbau der

Elektrode ohne Metall zur Kontaktierung und zur Elektrolyt- und Gastrennung erfolgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Träger eine flexible Graphitschaumfolie ist und die Elektrodenschichten einen der Folie zugewandten erhabenen Rand aufweisen, der an der Folie dichtend anliegt, und daß die Elekt.odenschichten jeweils mit dem Träger korrespondierende Löcher für die Gasversorgung mit dem entsprechenden Gas aufweisen, während jeweils die mit Dichtungen versehenen, mit dem Träger korrespondierenden Löcher für <Jas fremde Gas aus der Elektrodenschicht ausgespart

Zweckdienliche Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g· 1 die bipolare Elektrode von zwei Seiten, F i g. 2 die als Trennwand verwendete Graphitjchaumfolie und die Brennstoffelektrode mit einer Profilierung auf der Gasseite,

F i g. 3 eine andere Art der Profilierung. Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, besteht die bipolare Elektrode aus einer Gas und Elektrolyt trennenden, elektronisch kontaktierenden flexiblen Folie 1 aus etwa 0,2 mm starkem hochverdichteten Graphitschaum, auf deren einer Seite eine Brennstoffelektrode 2 und zwei Dichtungen 3, 4 und auf deren anderer Seite eine Sauerstoffelektrode 5 und zwei Dichtungen 6, 7 aufgebracht sind. Die Größe der Schichten 2,5 ist kleiner als die der Graphitschaumfolie 1, so daß sich ein freier Folienrand 8 ergibt, der zum elektrolytdichten, elastischen, randfreien Einspannen der Elektrodenschichten 2, 5 dient. Der nichts weiter dargestellte Elektrolyt bedeckt die Außenflächen der Elektroden 2, 5. Die Brennstoffelektrode 2 besteht beispielsweise aus Wolframcarbid mit Polytetrafluoräthylen, und die Sauerstoffelektrode 5 besteht beispielsweise aus Aktivkohle mit Polytetrafluoräthylen.

Die Dichtungen 3, 4 mit den Löchern 9, 10 dienen dem Anschluß der Luftversorgung zur nächsten Elektrode, während die Dichtungen 6,7 mit den Löchern 11, 12 dem Anschluß der Brennstoffversorgung zur nächsten Elektrode dienen. Die Brennstoffelektrode 2 hat mit den Löchern II, 12 korrespondierende Löcher 13, 14 und die Sauerstoffelektrode 5 hat mit den Löchern 9, 10 korrespondierende Löcher 15, 16. Die Elektrode 2 liegt, die Löcher 11, 12 für die Brennstoffversorgung überdeckend und die Dichtungen 3, 4 für die Luftversorgung ausnehmend, dicht auf der Graphitschaumfolie 1 auf. Die Sauerstoffelektrode 5 liegt, die Löcher 9, der Luftversorgung überdeckend und die Dichtungen 6, 7 für die Gasversorgung ausnehmend, ebenfalls dicht auf der Graphitschaumfolie 1 auf. Ein elektronisch leitender Verbund von Brennstoffelektrode 2, Trennwand 1 und Sauerstoffelektrode 5 kann beispielsweise durch Verklebung mit einem aushärtenden Zweikomponentenharz unter etwa lOOkp/cm² Druck oder durch eine Kunststoffsinterung unter Druck erfolgen.

Die Graphitschaumfolie 1 dient neben der Funktion als Trennwand auch zur Stromweitergabe von einer Schicht zur anderen. Durch sie ist eine direkte großflächige Kontaktierung zwischen den Elektroden erreicht. Es werden so extrem kurze Stromwege erhalten, die von besonderer Bedeutung für Brennstoffbatterien mit saurem Elektrolyten sind, für die es bisher keine technisch einsetzbaren Kontaktierungs- und Stromleitungsmaterialien gibt, die zwtcks Erzielung eines geringen Gewichts und geringer ohmscher Verluste sehr gute Leitfähigkeit besitzen müssen. Die erfindungsgemäße Ausbildung erlaubt es dagegen. Werkstoffe geringerer S Leitfähigkeit einzusetzen, so daß sich kunststoffgebundene Katalysatorschichten als großflächige Elektroden ohne Stromableiter verwenden lassen.

Wie bereits vorher erwähnt, sind die Brennstoffeiekirode 2 und die Sauerstofflektrode 5 über die Graphitschaumfolie 1 zusammengefügt. Durch den überstehenden Rand 8 der Graphitschaumfolie 1 ist die Elektrode an diesem Rand zu fassen. Dadurch müssen nicht mehr die Elektrodenschichten 2, 5 an ihrem Rande gefaßt werden. Die Fassung des Randes 8 kann entweder durch Einkleben in einen Rahmen oder unter Zuhilfenahme geeingneter Abdichtungen eingegossen werden, oder allein durch mechanisches Verspannen geschehen. Wie aus der F i g. 2 ersichtlich, haben die Elektroden 2,5 einen erhabenen, ununterbrochenen Rand 29, der in seiner Stärke mit der Höhe der Stege 17 übereinstimmt. Dieser Rand 29 ist mit der Graphitschaumfolie verklebt. Die Graphitschaumfolie 1 unterscheidet sich von den aktiven Schichten zwar im Ausdehnungskoeffizienten, da aber diese beiden Schichten aus einem hochporösen, elastischen Kunstsloffgerüst aufgebaut sind, treien auch bei starken Temperaturschwankungen keine schädlichen Spannungen zwischen den verklebten Schichten 1,2,5 auf.

Die Graphitschaumfolie 1 hat folgende Funktionen: 1. Sie ist eine Trennwand und trennt den Elektrolyten von einer Zelle zur anderen;

2. sie ist eine trennende Gaswand, indem sie zwei verschiedene Gase voneinander trennt;

3. sie dient dazu, die aus Folie 1 und Schichten 2, 5 bestehende bipolare Elektrode am Rande einzuspannen bzw. festzuhalten, so daß sich eine Arretierung in einer Batterie ergibt;

4. sie dient zur Kontaktierung von Brennstoff- und Sauerstoffelektrode.

Eine verbesserte Festigkeit der Elektrodenschichten 2, 5 und absolute Kurzschlußsicherheit kann durch angesintertes Glasfaservlies oder ähnliche, isolierende Faserstoffe an die Elektrodenoberfläche erreicht werden.

Die beiden Elektrodenschichten 2, 5 arbeiten als

Gasdiffusionselektroden und sind in Verbindung mit der Graphitschaumfolie 1 zur Bildung eines gasseitigen Kanalsystems herangezogen, das beispielsweise durch eine Profilierung 17 der Elektrodenschichten 2, 5 auf ihrer der Folie 1 zugekehrten Seite erreicht ist, wie diese aus der F i g. 2 an der Brennstoffelektrode 2 ersichtlich ist. In der F i g. 2 ist die Brennstoffelektrode 2 losgelöst von der Graphitschaumfolie 1 dargestellt, so daß die Ausbildung der Innenseite der Brennstoffelektrode 2 ersichtlich ist. Das Gas befindet sich also zwischen der Graphitschaumfolie 1 und de^r Elektrode 2. Das Kanalsystem mündet in die beiden öffnungen 13, 14 der Elektrode 2. Es übernimmt die gleichmäßige Verteilung der Gasströmung über die gesamte Elektrodenfläche und gewährt zwischen den beiden unmittelbar in der Anodenschicht 2 liegenden Öffnungen 13, 14 eine Strömung ohne merklichen Druckverlust des Gases über die Elektrodenfläche, was bei Niederdruckelektroden von entscheidender Bedeutung für die Funktion großflächiger Elektroden bei Verwendung von Luft und Spaltgasen ist, welche wegen des hohen inerten Gasanteils eine merkliche Strömung zum Abtransport der Inertgase erfordern.

Die gleiche Ausbildung der Profilierung, wie sie in der F i g. 2 die Brennstoffelektrode 2 gasseitig trägt, ist auch auf der gasseitigen Fläche der Sauerstoffelektrode 5 vorgesehen. Da die Profilierung beider Elektrodenschichten, 2,5 gleich ausgebildet ist, liegt über der Graphitschaumfolie 1 Steg auf Steg auf, so daß bei einer Verklebung der Schichten 2, 5 mit der Graphitschaumfolie 1 unter Druck ein Ausweichen und Verformen der Folie 1 vermieden ist.

Die Art der Profilierung 17 nach F i g. 2 ergibt eine gleichmäßige Verteilung der Gasströmung. Ohne eine Profilierung strömt das Gas vom Einlaß 13 diagonal zum Auslaß 14, so daß große Teile der gasseitigen Fläche 18 der Elektrode 2 nicht von der Gasströmung berührt werden. Die Ausbildung der Profilierung 17 bewirkt nun, daß sich das Gas sehr gleichmäßig über die gasseitige Fläche 18 verteilt

Durch die gewählte Profilierung wird das Gas gezwungen, auch die von der Diagonale abweichenden weiteren Wege zu gehen, da die Strömungswiderstände auf irgeneinem Wege vom Einlaß 13 zum Auslaß 14 praktisch gleich sind. Um dies zu erreichen, sind am Ein- und Auslaß 13, 14 Führungsstege 19, 20 vorgesehen, an die sich Reihen 21 bis 23 und 24 bis 26 von Zwischenstegen anschließen, deren Häufigkeit und Verteilung so gewählt ist daß eine gleichmäßige Strömung des Gases in angedeuteter Pfeilrichtung erfolgt

Wie aus der Fig.2 ersichtlich, haben diese Zwischenstege verschiedene Längen. Ferner sind sie in bestimmter Weise gegeneinander versetzt angeordnet Es ergeben ich dadurch unterschiedliche Strömungswiderstände und eine entsprechende Verteilung des Gases. Die Zwischenstege der Reihen 23, 24 sind relativ klein ausgebildet, um eine möglichst feinteilige Aufteilung der Gasströmung zu erreichen. Diese Stege sind in ihrer Länge so bemessen, daß in Verbindung mit den Stegen 27. die nur wenig zur Vergleichmäßigung der Strömung beitragen, der zwischen den Stegen der Reihe 23 hindurchtretende Gasstrom sich aufspaltet und als Einzelströme in die durch die Stege 27 gebildeten Kanäle gelangt

Die am Einlaß 13 angeordneten Führungsstege 19 leiten das Gas in Teilströmen in Ric^ung der Reihen 21 bis 23 über die Fläche 18 der Schicht 2. Die Zwischenstege der Reihen 21 bis 23 bewirken wiederum eine nochmalige Aufteilung der Teilströme und Umlenkung um etwa 90°, so daß der gesamte Bereich 28 der Räche 18 von Gas überströmt ist, worauf durch die Zwischenstege der Reihen 24 bis 26 in der Zahl verringerte Teilströme gebildet und diese um etwa 90° in Richtung des Auslasses 14 geleitet werden. Es ist so über die ganze Fläche 18 eine gleichmäßige Gasströmung erreicht

Der Strömungswiderstand dieses Kanalsystems ist außerordentlich gering, so daß eine großflächige Niederdruck-Elektrode möglich ist.

Die parallelen und gleich langen Stege 27 sind für die Gasführung an sich nicht notwendig. Sie sind zwer auch an der Vergleichmäßigung der Gasströmung beteiligt.

dienen aber in erster Linie der Abstützung, um eine ausreichende Stabilität der Elektrode zu erreichen, und ferner dienen sie zur Kontaktierung. Diese Stege, wie

to selbstverständlich auch alle anderen, übernehmen die elektrische Kontaktierung zur Graphitschaumfolie 1.

Die Profilierung 17 erfüllt also zwei Funktionen, erstens die gleichmäßige Gasverteilung und zweitens eine gleichmäßige Kontaktierung von Elektrodenschicht 2 und Zellwand 1, was wegen der Hochohmigkeit der Materialien ebenfalls wesentlich ist.

Die F i g. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausbildung der Profilierung. Die Brennstoffelektrode 2 weist auf der gasseitigen Fläche 18 eine Profilierung in Form einer Vielzahl von erhabenen Noppen 30 auf. Das Noppenraster weist Stellen 31 bis 35 auf. an denen die Noppen 30 dichter beieinander angeordnet sind, so daß sich größere Strömungswiderstände in diesen Gebieten ergeben. Dadurch wird erreicht, daß die Gasströmung nicht vorzugsweise in der Diagonalen erfolgt. Die Variation der Strömungswiderstände ist derart gewählt, daß die Verteilung der Strömung auch in die Randzonen der Fläche 18 erfolgt

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die bipolare Elektrode erlaubt, das Leistungsgewicht von Brennstoffbatterien durch eine direkte, großflächige Kontaktierung von der Brennstoffelektrode einer Zelle mit der Sauerstoffelektrode der folgenden Zelle zu optimieren, da jede äußere elektrische Verschaltung und die zugehörigen Stromableiter der einzelnen Elektroden entfallen. Besondere stromleitende Kontakte werden nicht benötigt. Das Verlegen der Gaseinspeisungen in die aktiven Schichten der Elektrode macht eine randfreie Aufhängung dieser Schichten möglich. Die Elektrodenschichten können ferner mit der für das Kanalsystem erforderlichen Profilierung in einem einzigen einfachen Arbeitsgang hergestellt werden. Das Kanalsystem ergibt sich ohne zusätzlichen Material- und Zeitaufwand. Durch die Gestaltung dieses Kanalsystems ergibt sich ein sehr kleiner Strömungswiderstand, so daß das Gas ohne großen Druckverlust die gesamte gasseitige Oberfläche der Schichten überströmen kann. Durch die elastische Aufhängung der Schichten an der Graphitschaumfolie ist ein Arbeiten derselben ohne Schader möglich, was beim Zusammenbau und für die Lebensdauer von Brennstoffzellenbatterien sehr wichtig ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche: ^^

1. Bipolare Niederdruckelektrode für Gasbrennstoffbatterien mit zwei flächigen aktiven Schichten. die durch einen größeren, zwischen ihnen befindlichen gas- und elektrolytundurchlässigen Kohlenstoffträger getrennt sind, der in der Nähe des Randes Löcher für die Gasversorgung aufweist, wobei die Gasräume durch Kanalsysteme gebildet sind. dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine flexible Graphitschaumfolie (1) ist und die Elektrodenschichten (2, 5) einen der Folie (1) zugewandten erhabenen Rand (29) aufweisen, der an der Folie (1) dichtend anliegt, und daß die Elektrodenschichten (2, 5) jeweils mit dem Träger (1) korrespondierende Löcher (13,14, 15.16) für die Versorgung mit dem entsprechenden Gas aufweisen, während jeweils die mit Dichtungen versehenen, mit dem Träger korrespondierenden Löcher (9. 10, 11, 12) für das fremde Gas aus der Elektrodenschicht ausgespart sind.

2. Bipolare Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Kanalsystem gebildete Strömungswiderstandsfeld der Profilierung (17, 30) lokal unterschiedliche Strömungswiderstände hat.

3. Bipolare Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eintretende Gas durch am Einlaß (13) angeordnete Führungsstege (19) in mehrere Teilströme bestimmter Richtung gespalten wird, daß durch weitere Veneilungsstege (Reihen 21 bis 23) eine weitere Aufspaltung der Teilströme und Umlenkung der vermehrten Teilströme erfolgt und daß diese Teilströme durch weitere Verteilung und Führungsstege (Reihen 24 bis 26) zu einer verringerten Anzahl von Teilströmen zusammengefaßt und in Richtung des Auslasses (14) umgelenkt werden.

4. Bipolare Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung ein Noppenrasterfeld ist, welches in Nähe der Gas-Ein- und -Auslässe (13, 14) und im Mittelteil der gasseitigen Fläche (18) Stellen (31 bis 35) mit dichter beieinander angeordneten Noppen (30) hat.