DE2215070B2 - Gas-Brennstoffbatterie mit bipolaren Elektroden, Zellenrahmen mit Elektrolytbohrungen, Spannplatten und Elektrolytumwalzung - Google Patents
Gas-Brennstoffbatterie mit bipolaren Elektroden, Zellenrahmen mit Elektrolytbohrungen, Spannplatten und ElektrolytumwalzungInfo
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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
10
15
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,
35
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-
40
45
5°
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)
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.
45
Priority Applications (7)
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---|---|---|---|
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JP48030180A JPS4914939A (de) | 1972-03-28 | 1973-03-16 | |
BE129247A BE797315A (fr) | 1972-03-28 | 1973-03-26 | Batterie de piles a combustible gazeux, comprenant des electrodes bipolaires, des cadres de piles, des plaques de serrage et une circulation d'electrolyte |
FR7310989A FR2178076B1 (de) | 1972-03-28 | 1973-03-27 | |
US00345458A US3833424A (en) | 1972-03-28 | 1973-03-27 | Gas fuel cell battery having bipolar graphite foam electrodes |
GB1497373A GB1416483A (en) | 1972-03-28 | 1973-03-28 | Fuel cell battery |
NL7304304A NL7304304A (de) | 1972-03-28 | 1973-03-28 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19722215070 DE2215070C3 (de) | 1972-03-28 | Gas-Brennstoffbatterie mit bipolaren Elektroden, Zellenrahmen mit Elektrolytbohrungen, Spannplatten und Elektrolytumwälzung |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2215070A1 DE2215070A1 (de) | 1973-10-18 |
DE2215070B2 true DE2215070B2 (de) | 1975-08-28 |
DE2215070C3 DE2215070C3 (de) | 1976-04-22 |
Family
ID=
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3511751A1 (de) * | 1984-03-30 | 1985-10-10 | United States Department Of Energy, Washington, D.C. | Brennstoffzellentrennvorrichtung mit zusammendrueckbaren abdichtflanschen |
DE3526614A1 (de) * | 1984-07-27 | 1986-01-30 | Occidental Chemical Corp., Niagara Falls, N.Y. | Brennstoffbatterie |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3526614A1 (de) * | 1984-07-27 | 1986-01-30 | Occidental Chemical Corp., Niagara Falls, N.Y. | Brennstoffbatterie |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US3833424A (en) | 1974-09-03 |
BE797315A (fr) | 1973-07-16 |
JPS4914939A (de) | 1974-02-08 |
NL7304304A (de) | 1973-10-02 |
DE2215070A1 (de) | 1973-10-18 |
GB1416483A (en) | 1975-12-03 |
FR2178076A1 (de) | 1973-11-09 |
FR2178076B1 (de) | 1977-09-02 |
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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