DE2215070A1

DE2215070A1 - Gas-brennstoffzellenbatterie mit bipolaren elektroden, zellenrahmen, spannplatten und elektrolytumwaelzung

Info

Publication number: DE2215070A1
Application number: DE2215070A
Authority: DE
Inventors: Harald Dr Phil Boehm; Gerhard Louis
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1972-03-28
Filing date: 1972-03-28
Publication date: 1973-10-18
Also published as: FR2178076B1; DE2215070B2; FR2178076A1; JPS4914939A; US3833424A; BE797315A; NL7304304A; GB1416483A

Description

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Li cent ia Patent-Verwaltungs-GmbH 6 Frankfurt, Theodor-Stern-ICai i

Schub/er F 72/25

Gas-Brennstoffzellenbatterie mit bipolaren Elektroden, Zellenrahmen, Spannplatten und Elektrolytumwälzung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas-Brennstoffzellen« batterie mit bipolaren Elektroden, Zellenrahmen, Spannplatten und Elektrolytumwälzung.

Es ist bereits eine bipolarkontaktierte Brennstoffzellenbatterie mit einem stationären phosphorsäuren Elektrolyten bekannt. Der Elektrolyt ist bei dieser Ausbildung in einer saugenden Schicht festgelegt. Die Zollentrennwand der bipolaren Elektrode, auf die beidseitig Anode und Kathode anschließen, ist nicht flexibel. Diese Trennwand besteht aus einem Sintermaterial oder Elektrοgraphit mit aufgebrachten Goldschichten« Für die Gaszuführung ohH -vertei-

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lung haben die Elektroden an gegenüberliegenden Seiten parallele Schlitze, durch die das Gas hindurchströmt. Bei anderen Konstruktionen sind die Elektroden in einen besonderen Rahmen eingeklebt oder eingegossen« Die einzelnen Rahmen mit den Elektroden werden verspannt. Die Methode des Einklebens der Elektrode in einen Rahmen hat den Nachteil, daß ein merklicher Verlust an aktiver Elektrodenfläche durch die verlorenen Randpartien auftritt. Die Einklebung bedingt ein anfälliges, hohe Exaktheit erforderndes Verfahren zur sparsamen und gleichmäßigen Klebereinbringung. Der mit Kleber bedeckte Rand der Elektrode bedeutet einen Verlust an aktiver Elektrodenfläche. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich zur Offenhaltung von Versorgungskanäleii für Gas und Elektrolyt vom Rand her· Das Einklebeverfahren wird praktisch undurchführbar bei dicht nebeneinander liegenden Gasräumen zweier verschiedener Gase, wie dies für bipolare Elektroden nötig ist.

Das Vergießen von Batterxeeinhexten erfordert eine zusätzliche Abdichtung der notwendigen Elektrolyt- und Gasräume, damit die Vergußmasse diese nicht ausfüllt. Dieser zusätzliche Diclitungsaufwand ergibt Komplikationen und Aufwand bei der Stapelung von Batterieeinheiten und beim Herauslösen der zusätzlichen Dichtungselemente. Der Verlust an aktiver El eic tr ο donfläche wird größer als beim Einkleben.

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Die Ausschußquote ist um so höher, je größer die in einer Batterieeinheit vergossene Elektrodenzahl ist· Neben dem Problem korrosionsfester Vergußmaterialien ergeben sich Festigkeitsprobleme infolge von Spannungszuständen, die durch das Schrumpfen von Vergußmassen beim Aushärten und durch den starren Verbund von Materialien unterschiedlicher Temperaturkoeffizienten auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde₅ eine Hochvoltbrennstoffzellenbatterie zu schaffen_s die in ihrem Aufbau und Betrieb äußerst einfach und sicher ist. Sie soll mit verunreinigten Gasen betrieben werden können. Korrosionsprobleme, die insbesondere durch Verwendung kontaktierender Metalle entstehen, sollen vermieden werden« Es sollen durch einen umgewälzten Elektrolythaupt strom sämtlicfee in der Batterie enthaltenen Einzelzellen eine Elektrolytspülung zum Zwecke des Wärme- und Konzentrationsausgleiches erhalten. Es soll ferner eine optimale Ausnutzung der Elektrodenfläche möglich sein und ein geringstmöglicher Elektrodenabstand erreicht \*erden. Bei niedrigem Druck soll eine gleichmäßige Verteilung der Gase über die Gesamtfläche der Elektroden erreicht werden. Schließlich soll die Möglichkeit bestehen, defekte Bauteile einfach auswechseln zu können.

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Diese Aufgabe wird erfindimgκgemäß dadurch gelöst, daß sich die Batterie aus sich wiederholend ineinanderfügenden bipolax-cn Elektroden und Zellenrahmen zusammensetzt, und daß jede bipolare Elektrode aus einer flexiblen Graphitschaxxmfolie mit zn beiden Seiten aufgebrachten, einen Rand an der Folie freilassenden aktiven Schichten besteht, die gasseitig mit einem einen geschlossenen Gasraura bildenden Kanalsystem mit Profilierung und mit den G.asraum zugänglich machenden Bohrungen für die Luft- und Brenngasversorgung versehen sind, und daß die Zellenrahmen zur· elastischen Einspannung der bipolaren Elektroden durch Auflage des Randes dei* Graphitschaumfolie auf die Zellenrahmen dienen und mit Elektrolyt-Hauptbohrungen verbundene Elektrolytkanäle aufweisen.

Zweckdienliche Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den UnteranSprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der Batterie,

Fig. 2 eine Ansicht der verwendeten bipolaren Elektroden,

Fig. 3 eine andere Ansicht der bipolaren Elektroden,

Fig, 4 die Ausbildung des verwendeten Zellenrahmens,

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Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, bilden eine bipolare Elektrode 1, ein Zollenrahmen 2 und ein in diesen eiligelegter Scheiderkamm 3 die drei in Wiederholung die Brennstoffzellenbatterie aufbauenden Elemente, zu deren Komplettierung lediglich zwei Endelektroden k (nur eine dargestellt) und zwei Spannplatten 5 (nur eine dargestellt) benötigt werden.

Durch die bipolare Kontaktierung wird eine SerienschaX-tung aller Zellen ohne äußere, elektrische Verschaltung erreicht.

In der Fig. 2 ist die bipolare Elektrode in zwei Ansichten dargestellt. Die Fig. 3 zeigt die verwendete Graphitschaumfolie 6 und die Ausbildung der auf die Rück- und Vorderseite der Folie aufgebrachten aktiven Schichten 7j Die dargestellte Schicht 7 wird auf die Rückseite der Folie 6 aufgebracht.

Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich, ist die bipolare Elektrode 1 aus nur drei Teilen aufgebaut. Sie besteht aus einer elastischen Graphitschaumfolie 6 von etwa 0,2 mm Stärke und zwei elastischen Katalysatorschichten 7, 8 (Anode, Kathode), die direkt mit der Graphitschaumfolie verbunden und elektrisch kontaktiert sind. Die Graphitschaumfolie 6 steht über den gesamten Umfang der Katalysa- torschichton 71 8 über, so daß sich ein Folienrand $ -von

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etwa 3 mm ergibt, der zwecks Ila3.te.rung der bipolaren Elektrode 1 zwischen benachbarte Ze 11 einrahmen 2 (Fig. 1,4) gelegt wird. Gehalten wird die jeweilige bipolare Elektrode 1 also allein durch Pressung ihres Randos 9 zwischen den beiden 2,u,-",eordnet en Zellenrahmon. Der Rand 9 der Graphitschaumfolie 6 wirkt darüber hinaus gleich als Dichtung für einen elektrolytdichten Abschluß der Einzel zelle. Die Stärke der Katalysatorschichten 7% 8 beträgt etwa 1 min.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, hat die bipolare Elektro de 1 Gaskanal sy steine, die den Katalysator schichten 7i 8 eingeprägt sind. Die Schichten 7, 8 sind derart geformt, daß sich je Schicht ein geschlossener Gacraum 10 ergibt. Eine Luftein- und -ausleitung für den Gasraum 10 der Schicht 8 erfolgt über in dieser Schicht vorgesehene Bohrungen 12, 13 und eine Brenngasein- und -ausleitung für den Gasraura 10 der Schicht 7 erfolgt über in dieser Schicht vorgesehene Bohrungen Ik₁ 15· Diese Locheinspeisung der Gase durch die Elektrodenschichten 7» 8 läßt den Rand 9 der Elektrode 1 von Gasabdichtungen und -Zuführungen frei, so daß dieser Rand keine starre Verbindung zum Zellenrahmen 2 erfox'dert.

Durch die Anwendung der Locheinspeisung wird eine einfache Abdichtung durch elastische Flachdichtungen l6_t 17 und

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l8, 19 erreicht, die beim Verspannen der Batterie mittels vier Spannbolzjcn 20 (Fig. l) zwischen den Elektroden 1 zum gegenseitigen Andruck kommen und die so runde Gasversorgungskanäla bilden, die durch die Zellenräume senkrecht zu den Elektrodenflächen vorlaufen» Diese Gasversorgungskanäle können in ihrem Querschnitt"einfach der geforderten Dux'chsatzleistung entsprechend bemessen werden, wobei beispielsweise der Luftversorgung wegen des hohen Inertgasanteils ein größerer Querschnitt als dem reineren Brenngas zukommt·

Ein elektronisch leitender Verbund von Anodenschicht 7» Graphitschaumfolie 6 und Kaihodenschicht 8 kenn beispielsweise durch Verklebung mit eimern aushärtenden Zweikomponentenharz unter etwa 100 kp/cra Druck ©des* durch eine KunststoffSinterung unter Druck erfolgen»

Durch die Ausbildung der Gasx*äume 10 an den gasseitigen Elektrodenflächen durch eine Profilierung 21 (Pig® 3) iw. Form von beispielsweise Stegen wird eine gleichmäßig© Versorgung der gesamten Elektrodenfläche mit Reaktionsgas erreicht· Die Gasräume 10 sind durch einen erhabenen, ununterbrochenen Rand 22 der Elektrodenschichten 7₈ & allseits abgeschlossen und münden in die in diagonalen Ecken befindlichen Bohrungen 12, I3 bzw. l4, 15. Entsprechend ist die Katalysatorschicht 8 im Bereich der Dichtungen

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l8, 19 ausgespart lind die Eatalysatorschicht 7 i'ⁿ Boreich der Dichtungen l6, 17. Damit kann keine Vermischung der beiden Reaktionsgase eintreten.

Die Bolrrungen 12 bis 15 jeder Elektrode 1 bilden also zusammen mit den elastischen Dichtungselementen l6 bis 19 an die Bohrungen der nächsten Elektrode 1 anschließende, runde Gasversorgungskanäle in der Längsachse der Batterie. Diese Gasversorgungskanäle durchsetzen nur die Elektrodenschichten 7» 8 und die Folie 6 der Elektrode 1 und ergeben so eine Gasversorgung der Einzelzellen ohne Anschluß an die Zellenrahmen 2, so daß keine schwierigen Dichtungsprobleme auftreten, wie sie bipolare Diuinschichtolektroden sonst mit sich bringen.

Wie weiter ersichtlich, ist die Kontur der Elektrode 1 und des den Elektrolytraum ergebenden Ausschnittes 23 des Zellenrahmens 2 schiefwinklig ausgebildet. Der Rahmen weist Elektrolytversorgungsbohrungen 24, 25 und Verspannbohrungen 26 bis 29 auf. Dadurch wird ein günstiges Verhältnis zwischen aktiver Elektrodenfläche und dem rechteckigen Batteriequerschnitt erhalten. Durch die schräge, obere Innenkante 30 des Zellenrahmens 2 und einen in diesem angeordneten schmalen Elektrolytkanal 31 können Gasblasen aus dem durch den Ausschnitt 23 gebildeten Elektrolytraum an der höchsten Stelle 37 dieses Raumes leicht durch den dort

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einmündenden Elektrolytkanal 31 abtransportiert werden. Dadurch ist verhindert, daß Gasblasen, die ,eventuell in den Elektrolytkreislauf kommen und sich im oberen Teil des Elektrolytraumes 23 sammeln wurden, einen Teil der aktiven Elektrodenfläche blockieren.

Der obere Elektrolytkanal 31 führt innerhalb des Zellenrahmens 2 zur Elektrolythauptbohrung 24, während der untere Elektrolytkanal 32 zur Elektrolythauptbohrung 25 führt. Die Elektrolytkanäle 31, 32 sind bei kleinem Querschnitt (etwa 1 mm 0) äußerst lang, so daß sich ein hochohmiger Weg des Elektrolyten ergibt, wodurch die Ver luste über die Elektrolytnebenschlüsse bei gemeinsamer Elektrolytumwälzung aller in Serie geschalteter Zellen klein gehalten werden.

Durch die sehr geringe Stärke von Elektrode 1 und Zellen rahmen 2 ergibt sich eine Gesamtstärke einer Zelle von etwa 3

Der aus geeignetem Kunststoff bestehende Zellenrahmen 2 schließt durch Anpressen an den Rand 9 (Fig· l) der Elektrode 1 jede Einzelzelle nach außen ab.

Der in den Ausschnitt 23 des Zellenrahmens 2 eingelegte Scheiderkamm 3 (Fig. l) bewirkt eine elektrische Trennung

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und Kurzschlußsicherhext zwischen den sich gegenüberstehenden Elektrodenflächen zweier Elektroden 1. Da der Elektrolyt wegen der Wäriae und Konzentrationsänderung umfließen muß, hat der Scheiderkainm 3 Aussparungen 33$ in denen der Elektrolyt ungehindert fließen kann, während dieser in den porösen Teilen ^k in seinem Fluß gehemmt wird.

Der Scheiderkamm 3 erfüllt also die Aufgabe der Abstandshalterung zweier Elektroden 1 und ferner erfüllt er die Forderung nach einer leichten Elektrolytbeweglichkeit in einer Richtung parallel zu den Elektrodenflächen. Der Scheiderkamm 3 kann auch als gewellter oder gerippter Scheider ausgebildet sein. Die dargestellte kammartige Ausbildung hat den Vorteil, daß ein kleinstmöglichster Elektrodenabstand erreicht wird und sich so ein sehr geringes Batterievolumen ergibt. Der Scheiderkamm 3 kann entfallen, wenn die Schichten der sich gegenüberstehenden Elektroden 1 elektrisch isolierend ausgebildet sind.

Die Ausnutzung des durch den schiefwinkligen Elektrolytraura 23 entstehenden Zwickels für die Elektrolythauptbohrung 2k und den Elektrolytkanal 31 ergibt eine gute Raumausnutzung der Batterie bei äußerer, rechtwinkliger, glatter Form, wozu auch die in die vier Ecken gelegte Verepannung 20 und die Gasführung durch die Zellenräume beiträgt. - Il -

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Die metallische Spannplatte 5 hat Kunststoffbuchsen 35 > 3& für den Elektrolytanschluß. Der Elektrolyt wird über die Buchse 35 eingelassen, gelangt über die Elektrolythauptbohrungen 25 in die unteren Elektrolytkaraäle 3^ Md steigt durch die in die Zellenrahraen £ eingelegt©sa Scaeiderkärame 3 bis zur höchsten Stelle 37 der Zellenranmen 2, durchfließt dann die Elektrolytkanäle 31» gelangt danach in die Elektrolythauptbohrung 24 und tritt an der Kunststoffbuchse 36 wieder aus·

Die beiden Endelektroden 4 (in Fig, 1 ist nur eine derselben dargestellt) bestehen jeweils aus einer Graphitschaumfolie, wie sie auch bei den Elektroden 1 verwendet ist, wobei auf diese Folie nur θ±σι© Elektrodenschicht jeweils zur Komplettierung des.¹ EiiclKsllo aufgebracht ist« Die in der Fig, 1 sicLibar^e _ι-ϋο!ΐ3.οΊ?^ι.Ί'£.Τ'ολ£ S3±t® %8 de:^ Graphitschaumfolie der Endaloircrcde· h iisgt dirak'C as, der jeweiligen metallischen Spannplatte 5 an und leitet den Strom auf diese ab. Mit 39 ist ein Strdmaiischluß bezeichnet.

In die Spannplatte 5 sind ferner für den Luftanschluß Kunststoff büchsen 40, 4l und für den Brenngasanschluß Kunststoffbüchsen 42, 43 eingesetzt,

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Die Spannplatte«, bostehen zweckmäßig aus Aluminium mit gei^inger Stärke und weisen am Kande Versteifungsrippen auf, so daß ein gleichmäßiger Randandruck zur Abdichtung der Batterie über nur vier Spannschrauben 20 erreicht ist, die nur durch die Bohrungen 26 bis 29 der Zellenrahmen 2 geführt sind, und die somit nicht an den Elektroden 1 angreifen.

Für eine 40-zellige Batterie beträgt das Zusatzgewicht von zwei Spannplatten 5 ta±t den Spannschrauben 20 weniger als 10 % des Batteriegewichtes.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich eine Hochvolt-Brennstoffzellenbatterie ergibt, wobei die Spannung ohne eine innere oder äußere Verdrahtung an den Spannplatten der Batterie abnehmbar ist. Da bei einem Zusammenbau der Elemente 1, 2 und 3 zu einer Batterie weder Verklebungen noch Vergiessungen vorgenommen werden, ist eine nachträgliche Zerlegung der Batterie ohne Beschädigung der Bauelemente einfach möglich. Schwierige Abdichtungen für die Zellen sind vollkommen vermieden.

Patentansprüche

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Claims

Li centia Patent-Verwaltungs-GmbH 6 Frankfurt, Theodor-Stern-Kai 1

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Pat entansprüche

Gas-Brennstoffzellenbatterie mit bipolaren Elektroden, Zellenrahmen, Spannplatten und Elektrolytumwälzung, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Batterie aus sich wiederholend ineinanderfügenden bipolaren Elektroden (l) und Zellenrahmen (2) zusammensetzt, und daß jede bipolare Elektrode (l) aus einer flexiblen Graphitschaumfolie (6) mit zu beiden Seiten aufgebrachten, einen Rand (9) an der Folie (6) freilassenden aktiven Schichten (7$ 8) besteht, die gasseitig mit einem einen geschlossenen Gasraura (1O) bildenden Kanalsystem mit Profilierung (21) und mit den Gasraum zugänglich machenden Bohrungen (12, 13; 14, 15) für die Luft- und Brenngasversorgung versehen sind, und daß die Zellenrahmen (2) zur elastischen Einspannung der bipolaren

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- ? - (Patentansprüche) -)-}Λ\ζηηη

Elektroden (l) durch AufInge des Randos (9) der Graphitschatimfolie (6) auf die Zellenrahmen (2) dienen und mit Elektrolyt-Hauptbohrungen (2¹I₁ 25) verbundene Elektrolytkanäle (31> 32) aufweisen.
2. Batterie nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet_f daß die Kontur der bipolaren Elektroden (l) und der Ausschnitt (23) der Zellenrahmen (2) schiefwinklig ausgebildet sind und an den höchsten Stollen (37) der Schrägung (30)» die in den Zellenrahmen (2) angeordneten Elektrolytkanäle (31t 32) einmünden, die über die Rahmenbreite bis zu den senkrecht dazu verlaufenden Elektrolyt-Hauptbohrungen (24, 25) führen.
3. Batterie nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ausschnitt (23) der Zellenrahmen (2) Scheiderkämme (3) eingelegt sind, die aus einem elektrisch isolierenden, gut benetzbaren und hochporösen Material bestehen, welches kammartig ausgespart ist.
4. Batterie nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Endelektroden (4) vorgesehen sind, die je aus einer Graphitschaumfolie mit nur einer, die Endzelle komplettierenden El eic tr ο den schicht bestehen und die mit der schichtfreien Seite der Graphitschaumfolie zur Kontaktgabe an der metallischen Spannplatte (5) anliegt,

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- (Patentansprüche)

5« Batterie nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannplatten (5) als Batteriepole (39) aus einer Leichtmetall-Legierung mit Versteifungsrippen(44) bestehen und in die Kunststoffbüchsen (35_t 3^5 ^^{0 b}i^s 43) eingesetzt sind, die mit den Bohrungen (12 bis 15) der Elektrodenschichten (7, S) und der Elektrolyt-Haupt bohrungen (24, 25) korrespondieren und an die der Elektrolyt und die Gase angeschlossen irerden.

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