DE2215070B2 - Gas-Brennstoffbatterie mit bipolaren Elektroden, Zellenrahmen mit Elektrolytbohrungen, Spannplatten und Elektrolytumwalzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas-Brennstoffbatterie mit bipolaren Elektroden, Zellenrahmen mit Elektrolytbohrungen, Spannplatten und Elektrolytumwälzung, wobei jede Elektrode zwei flächige, aktive Schichten aufweist, die durch einen größeren, zwischen ihnen befindlichen gas- und elektrolytundurchlässigen Kohlenstoffträger getrennt sind, der in det Nähe des Randes Löcher für die Gasversorung aufweist, wobei die Ga... .,uTie durch Kanalsysteme gebildet sind.

Es ist bereits eine bipolare Elektrode vorgeschlagen, deren Träger eine flexible Graphitschaumfolie ist, wo bei die zu beiden Seiten des Trägers angeordneten akti- ^⁰ ven Elektrodenschichten einen der Folie zugewandten erhabenen Rand aufweisen, der an der Folie dichtend anliegt. Die Elektrodenschichten weisen jeweils mit dem Träger korrespondierende Löcher für die Versorgung mit dem entsprechenden Gas auf, während je- ⁶S weils die mit Dichtungen versehenen mit dem Träger korrospondierenden Löcher für das fremde Gas aus der Elektrodenschicht ausgespart sind (Patentanmel-

dung P 22 14 4123).

Die Herstellung und Verwendung von Graphitschaumfolien ist bereits bekannt (DT-AS 12 53 130).

Es ist bereits eine bipolarkontaktierte Brennstoffbatterie mit einem .stationären phosphorsauren Elektrolyten bekannt. Der Elektrolyt ist bei dieser Ausbildung in einer saugenden Schicht festgelegt Die Zellentrennwand der bipolaren Elektrode, auf die beidseitig die Elektroden anschließen, ist nicht flexibel. Diese Trennwand besteht aus einem Sintermaterial oder Elektrographit mit aufgebrachten Goidschichten. Für die Gaszuführung und -verteilung 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 (DT-AS 12 25 255). 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 ElekttOdenfläche durch die verlorenen Randpartien auftritt. Die Einklebung bedingt ein anfälliges, hohe Exaktheit erforderndes Verfahren zur spar samen und gleichmäßigen Klebereinbringung. Der mit Kleber bedeckte Rand der Elektrode bedeutet einen Verlust an aktiver Elektrodenfläche. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich zur Offenhaltung von Versorgungskanälen für Gas und Elektrolyt vom Rand her. Das Linklebeverfahren wird praktisch undurchführbar bei dicht nebeneinanderliegenden Gasräumen zweier verschiedener Gase, wie dies für bipolare Elektroden nötig ist.

Das Vergießen von Batterieeinheiten erfordert eine zusätzliche Abdichtung der notwendigen Elektrolyt- und Gasräume, damit die Vergußmasse diese nicht aus füllt. Dieser zusätzliche Dichtungsaufwand ergibt Komplikationen und A ,fwand bei der Stapelung von Batterieeinheiten und beim Herauslösen der zusätzlichen Dichtungselemente. Der Verlust an aktiver Elektrodenfläche wird größer als beim Einkleben.

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 Temperalurkoeffizienten auftreten.

Der r.rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochvoltbrennstoffbatterie zu schaffen, die in ihrem Aufbau und Betneb äußerst einfach und sicher ist. Sie soll mit verunreinigten Gasen betrieben werden kön ncn Korrosionsprobleme, die insbesondere durch Ver wendung kontaktierender Metalle entstehen, soller vermieden werden. Es sollen durch einen umgewälzter Elektrolythauptstrom sämtliche in der Batterie enthal tenen Einzelzellen eine Elektrolytspülung zum Zwecke des Wärme- und Konzentrationsausgleiches erhalten Es soll ferner eine optimale Ausnutzung der Elektrodf nfläche möglich sein und ein geringstmöglicher Elek trodenabstand erreicht werden. Bei niedrigem Druck soll eine gleichmäßige Verteilung der Gase über die Gesamtfläche der Elektroden erreicht werden. Schließ lieh soll die Möglichkeit bestehen, defekte Bauteile ein fach auswechseln zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge löst, daß der Träger jeder bipolaren Elektrode eine fle xible Graphitschaumfolie ist, und die Elektrodcnschich ten einen der Folie zugewandten erhabenen Rand auf

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weisen, der an der Folie dichtend anliegt und daß die Üektrodenschichten jeweils mit dem Träger korrepondierende Löcher für die Versorgung mit dem ent- ^■echenden Gas aufweisen, während jeweils die mit Dichtungen versehenen mit dem Träger korrespondie-•enden Löcher für das fremde Gas aus der Bektroden-Khicht ausgespart sind, und daß die bipolaren Elektrojen elastisch durch Auflage des Randes der Graphitschaumfolie auf die allein der Elektrolytabdichtung dienenden Zellenrahmen festgelegt sind, und daß die Zellenrahmen von den Elektrolytbohrungen ausgehende, über etwa die gesamte Breite des Rahmens verlaufende Elektrolytkanäle aufweisen.

Zweckdienliche Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 den grundsätzlichen Aufbau der Batterie, F i g. 2 eine Ansicht der verwendeten bipolaren Elek- 20 troden,

F1 g. 3 eine andere Ansicht der bipolaren Elektroden, F i g. 4 die Ausbildung des verwendeten Zellenrahmens.

Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, bilden eine bipolare Elektrode 1, ein Zellenrahmen 2 und ein in diesen eingelegter Scheiderkamm 3 die drei in Wiederholung die Brennstoffzellenbatterie aufbauenden Elemente, zu deren Komplettierung lediglich zwei Endelektroden 4 (nur eine dargestellt) und zwei Spannplatten 5 (nur eine dargestellt) benötigt werden.

Durch die bipolare Kontaktierung wird eine Serienschaltung aller Zellen ohne äußere, elektrische Verschaltung erreicht

In der F i g. 2 ist die bipolare Elektrode in zwei Ansichten dargestellt Die F i g. 3 zeigt die verwendete Graphitsehaumfelie 6 und die Ausbildung der auf die Rück- und Vorderseite der Folie autgebrachten aktiven Schichten 7, 8. Die dargestellte Schicht 7 wird aufdie Rückseite der Folie 6 aufgebracht

Wie aus den F i g. 2 und 3 ersichtlich, ist die bipolare Elektrode 1 aus nur drei Teilen aufgebaut Sie besteht ans einer elastischen Graphitschaumfolie 6 von etwa 0. mm Stärke mit Löchern 50 bis 53 und zugeordneten elastischen Flachdichtungen 16 bis 19 füi die Gasversorgung der Elektroden, und zwei elastischen Katalysatorschichten 7,8, die direkt mit der Graphitschaumfolie 6 verbunden und elektrisch kontaktiert sind. Die Graphitschaumfolie 6 steht über den gesamten Umfang der Katalysatorschichten 7, 8 über, so daß sich ein Folienrand 9 von etwa 3 mm ergibt, der zwecks Halterung der bipolaren Elektrode 1 zwischen benachbarte Zellenrahmen 2 (F i g. 1, 4) gelegt wird. Gehalten wird die jeweilige bipolare Elektrode 1 also allein durch Pressung ihres Randes 9 zwischen den beiden zugeordneten Zellenrahmen. Der Rand 9 der Graphitschaumfolie 6 wirkt darüber hinaus gleich als Dichtung für einen elektrolytdichten Abschluß der Einzelzelle. Die Stärke der Katalysatorschichten 7,8 beträgt etwa 1 mm.

Wie aus der F i g. 3 ersichtlich, hat die bipolare Elektrode 1 Gaskanalsysteme, die den Katalysatorschichten 7, 8 eingeprägt sind. Die Schichten 7, 8 sind derart geformt, daß sich je Schicht ein geschlossener Gasraum 10 ergibt. Eine Luftein- und -ausleitung für den Gasraum 10 der Schicht 8 erfolgt über in dieser Schicht vorgesehene Bohrungen 12,13, und eine Brennstoffein- und -ausleitung für den Gasraum 10 der Schicht 7 erfolet über in dieser Schicht vorgesehene Bohrungen 14,

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15. Diese.Loeheinspeisung 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 erfordert

Durch die Anwendung der Locheinspeisung wird eine einfache Abdichtung durch elastische Flachdichtungen 16,17 und 18.19 erreicht die beim Verspannen der Batterie mittels vier Spannbolzen 20 (Fi g. 1) zwischen den Elektroden 1 zum: gegenseitigen Andruck kommen und die so runde Gasversorgungskanäle bilden, die durch die Zellenräume senkrecht zu den Elektrodenflächen verlaufen. Diese Gasversorgungskanäle können in ihrem Querschnitt einfach der geforderten Durchsalzleistung entsprechend bemessen werden, wobei beispielsweise der Luftversorgung wegen des hohen Inertgasanteils ein größerer Querschnitt als dem reiner ren Brenngas zukommt · .

Ein elektronisch leitender Verbund von Brennstoff' elektrode 7, Graphitschaumfolie. 6 und Schaumstoffanode 8 kann beispielsweise durch Verklebung mit einem aushärtenden Zweikomponentenharz unter etwa 100 kp/cm² Druck oder durch eine Kunststoffsinterung unter Druck erfolgen. .·

Durch die Ausbildung der Gasräumc 10 an den gasseitigen E'.ektrodenflächen durch eine Profilierung 21 (Fig.3) in Form von.beispielsweise Stegen wird eine gleichmäßige Versorgung der,gesamten Elektrodenfläche mit Reaktionsgas erreicht Die Gasräume 10 sind durch einen erhabenen, ununterbrochenen Rand 22 der Elektrodenschichten 7. 8 allseits abgeschlossen und münden in die in diagonalen Ecken befindlichen Bohrungen 12.13 bzw. 14, 15. Entsprechend ist die Katalysatorschicht 8 im Bereich der Dichtungen 18. 19 ausgespart und die Katalysatorschicht 7 im Bereich der Dichtungen 16. 17. Damit kann keine Vermischung der beiden Reaktionsgase eintretea

Die Bohrungen 12 bis 15 jeder Elektrode 1 bilden also zusammen mit den elastischen Dichtungselemen-

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also zusammen um uui uuu^ ,_,

ten 16 bis !9 an die Bohrungen der nächsten Elektrode 1 anschließende, runde Gasversorgungskahäte 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 Gasversorgungskanäle sonst mit sich bringen.

Wie weiter ersichtlich, ist die Kontur der Elektrode und des den Elektrolytraum ergebenden Ausschnittes 23 des Zellenrahmens 2 schiefwinklig ausgebildet. Der Rahmen weist Elektrolytversorgungsbohrungen 24. und Verspannbohrungen 26 bis 29 auf. Dadurch wird ein günstiges Verhältnis zwischen aktiver Elektrodenfläche und dem rechteckigen Batteriequerschnitt erhalten. Durch die schräge, obere lnnenkame 30 des Zeller,-rahmens 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 einmündenden Elektrolytkanal 31 abtransportiert werden. Dadurch ist verhindert, daß Gasblasen, die eventu eil in den Elektrolytkreislauf kommen und sich im obe ren Teil des Elektrolytraumes 23 sammeln würden einen Teil der aktiven Elektrodenfläche blockieren.

Der obere Elektrolytkanal 31 führt innerhalb de: Zellenrahmens 2 zur Elektrolythauptbohrung 24, wäh rend der untere Elektrolytkanal 32 zur Elektrolythaupt

bohrung 25 führt. Die Elektrolytkanäle 31. 32 sind bei kleinem Querschnitt (etwa 1 mm Durchmesser) äußerst lang, so daß sich ein hochohmiger Weg des Elektrolyten ergibt, wodurch die Verluste über die Elektrolytnebenschlüsse bei gemeinsamer Elektrolytumwälzung aller in Serie geschalteter Zellen klein gehalten werden.

Durch die sehr geringe Stärke von Elektrode 1 und Zellenrahmen 2 ergibt sich eine Gesamtstärke einer Zelle von etwa 3 mm.

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

Der in den Ausschnitt 23 des Zellenrahmens 2 eingelegte Scheiderkamm 3 (F i g. 1) bewirkt eine elektrische Trennung und Kurzschlußsicherheit zwischen den sich gegenüberstehenden Elektrodenflächen zweier Elektroden 1. Da der Elektrolyt wegen der Wärme und Konzentrationsänderung umfließen muß, hat der Scheiderkamm 3 Aussparungen 33, in denen der Elektrolyt ungehindert fließen kann, während dieser in den porösen Teilen 34 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 kleinstmöglicher 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 Elektrolytraum 23 entstehenden Zwickels für die Elektrolythauptbohrung 24 und den Elektrolytkanal 31 ergibt eine gute Raumausnutzung der Batterie bei äußerer, rechtwinkliger, glatter Form, wozu auch die in die vier Ecken gelegte Verspannung 20 und die Gasführung durch die Zellenräume beiträgt

Die metallische Spannplatte 5 hat Kunststoffbuchsen 35, 36 für den Elektrolytanschluß. Der Elektrolyt wird über die Buchse 35 eingelassen, gelangt über die Elektrolythauptbohrungen 25 in die unteren Elektrolytkanäle 32 und steigt durch die in die Zellenrahmen 2 eingelegten Scheiderkämme 3 bis zur höchsten Stelle 37 der Zellenrahm'en 2, durchfließt dann die Elektrolytkanäle 31, gelangt danach in die Elektrolythauptbohrung 24 und tritt an der Kunststoffbuchse 36 wieder aus.

Die beiden Endeleklroden 4 (in F i g. 1 ist nur eine to Herseiben dargestellt) bestehen jeweils aus einer Graph i!schaumfolie, wie sie auch bei den Elektroden 1 verwendet ist. wobei auf diese Folie nur eine Elektrodenschicht jeweils zur Komplettierung der Endzelle aufgebracht ist. Die in der F i g. 1 sichtbare schichtfreie Seite 38 der Graphitschaumfolie der Endelektrode 4 liegt direkt an der jeweiligen metallischen Spannplatte 5 an und leitet den Strom auf diese ab. Mit 39 ist ein Stromanschluß bezeichnet

In die Spannplatte 5 sind ferner für den Luftanschluß Kunststoffbuchsen 40, 41 und für den Brennstoffanschluß Kunststoffbuchsen 42,43 eingesetzt.

Die Spannplatten bestehen zweckmäßig aus Aluminium mit geringer Stärke und weisen am Rande Versteifungsrippen 44 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 Zeilenrahmen 2 geführt sind, und die somit nicht an den Elektroden 1 angreifen.

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

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich eine Hochvolt-Brennstoffbatterie 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gas-Brennstoffbatterie mit bipolaren Elektroden, Zellenrahmen mit Elektrolytbohrungen, Spann- S platten und Elektrolytumwälzung, wobei jede Elektrode zwei flächige, aktive Schichten aufweist, die durch einen größeren, zwischen ihnen befindlichen

. gas- und elektrolytundurchlässigen Kohlenstoffträger getrennt sind, der in der Nähe des Randes Loeher fur die Gasversorgung aufweist, wobei die Gasraume^.d.urch Ka.nalsyste.me gebildet sind, dadurch i έ k: ,ι- ρ η /.<r i c h ng t, daß der »Träger jeder bipolaren Elektrode (1) eine flexible Graphitschaumfolie (6) ist. und die Bektrodenschichten (7. 8j einen der Folie (6) zugewandten erhabenen Rand (22) aufweisen, der an der Folie (ft) dichtend anliegt. und daß die Elektrodenschichten (7. 8} jeweils mit dem Träger (6) korrespondierende: Löcher (12, 13, 14. 15) für die Versorgung mit dem entsprechenden Cias aufweisen, während jeweils die mit Dichtungen versehenen mit dem Träger korrespondierenden Locher (50, 51. 52. 53) für das fremde Gas aus der Elektrodenschicht ausgespart sind, und daß die bipolaren Elektroden (1) elastisch durch Auflage des Randes (9) der Graphitschaumfolie (6) auf die allein der Elektrolytabdichtung dienenden Zellenrahmen (2) festgelegt sind, und daß die Zellenrahmen (2) von den Elektrolytbohrungen (24, 25) ausgehende, über etwa die gesamte Breite des Rahmens verlaufende Elektrorytkanäk (31,32) aufweisen.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der bipolaren Elektroden (1) und der Ausschnitt (23) der Zellenrahmen (2) schiefwinklig ausgebildet sind und an den höchsten Stellen (37) der Schrägung (30) die in den Zellenrahmen (2) angeordneten Elektrolytkanäte (31. 32) einmünden.

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.

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