DE2514034C3 - Festelektrolyt-Batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festelektrolyt-Batterie für die Elektrolyse oder Erzeugung elektrischer Energie mit aufeinandergeschichteten Zellen, die jeweils einen beidseitig mit flächigen Elektroden versehenen plattenförmigen Festelektrolyten und zwischen die Zellen eingefügte sowie als Batterieabschluß ausgebildete gasdichte, elektronenleitende Trenn- bzw. Abschlußwände aufweisen, die zusammen mit den Elektroden die Reaktanden bzw. die Reaktionsprodukte führende, an den Enden offene kanalförmige Reaktionsräume bilden, welche ein wellenförmiges Profil aufweisen, wobei die einzelnen Zellen an den Wellenbergen und -tälern der Reaktionsräume miteinander bzw. mit den Abschlußwänden verbunden sind.

Bei einer bekannten Batterie dieser Art sind zwischen

benachbarten Zellen jeweils zwei Trennwände in Form von Wellblechteilen mit sich kreuzenden Wellungen derart angeordnet, daß zusätzliche Innenräume für die Zufuhr eines Heiz- oder Kühlmittels entstehen (DE-AS 12 93271). Diese Ausbildung gestattet zwar eine gute Wärmezufuhr oder -abfuhr, vergrößert jedoch die Bauhöhe dieser Batterie und steigert ihren inneren elektrischen Widerstand als Folge der Vielzahl von Wellblechteilen und der damit verbundenen großen Anzahl von elektrischen Verbindungsstellen.

Eine andere bekannte Brennstoffbatterie ist in Filterpressen-Bauweise ausgeführt, die einzelnen Elemente werden durch Federelemente zusammengehalten (US-PS 33 00 344). Die Federelemente verlieren jedoch bei höheren Temperaturen, wie sie für den Betrieb solcher Batterien üblich sind, meist sehr rasch ihre Federwirkung, so daß der Zusammenhalt der Batterie gefährdet ist Darüber hinaus sind zwischen den Trennwänden und den auf den Festelektrolyten vorgesehenen Elektroden Gitter zur Stromabnahme vorgesehen, welche die Bauhöhe und den Gesamtaufwand für die Batterie und deren Abdichtung vergrößern. Zudem müssen die Trennwände für das Einarbeiten von Kanälen mit ausreichendem Querschnitt entsprechend dick ausgebildet sein.

Des weiteren sind bipolare Elektroden für eine Brennstoffbatterie für flüssige Elektrolyte bekanntgeworden, die durch eine wellenförmige Trennwand voneinander getrennt sind (DE-AS 12 25 256). Diese Elektroden sind jeweils in einem mit Gaszuführungsöffnungen versehenen Rahmen angeordnet, so daß der Aufbau einer Brennstoffbatterie mit solchen Elektroden aufwendig ist

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Festelektrolyt-Batterie der eingangs genannten Art anzugeben, die hohe Leistung bei geringem Bauvolumen und/oder geringem Gewicht abgibt Gleichzeitig soll die Batterie mit verringertem Bauaufwand und somit preisgünstig herstellbar sowie den üblichen betrieblichen Anforderungen gewachsen sein.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Festelektrolyte samt Elektroden wellenförmig und die Trennwände eben oder die Festelektrolyte samt Elektroden und die Trennwände wellenförmig ausgebildet und mit in gleiche Richtung zeigenden Wellungen aufeinandergeschichtet sind, daß jeweils eine einzige Trennwand zwischen benachbarten Zellen angeordnet und zur Bildung der Batterie an den Elektroden mit möglichst kleinen Berührungsflächen unlösbar befestigt ist, und daß die Reaktionsräume an ihren Enden jeweils in Reaktionsräume gleicher Funktion zusammenfassende Sammelkanäle münden, die in mindestens einen, auf die jeweilige Stirnseite der Batterie aufgesetzten und mit Anschlußöffnungen versehenen Körper eingearbeitet sind, wobei die Körper ebenso wie die Trennwände aus Keramik bestehen.

Durch die vorgenannte Ausbildung der Festelektrolyte samt Elektroden ergibt sich eine Batterie mit großen Reaktionsflächen und somit eine Batterie mit hoher Leistung bei geringem Bauvolumen und/oder geringem Gewicht. Sind entsprechend der zweiten Alternative die Festelektrolyte samt Elektroden und die Trennwände wellenförmig ausgebildet, so ergeben sich zusätzlich Reaktionsräume von großem Querschnitt bei stabilem Gesamtaufbau der Batterie. Da die Verbindung der Trennwände mit möglichst kleinen Berührungsflächen erfolgt, sind die Reaktionsräume zusätzlich vergrößert,

wobei die unlösbare Verbindung den selbsttragenden Aufbau der Batterie erlaubt Das Anordnen jeweils nur einer einzigen Trennwand zwischen benachbarten Festelektroden ergibt eine Batterie von geringer Bauhöhe und somit von geringem Volumen. Da die Zu- und Abfuhr der Reaktanden bzw, der Reaktionsprodukte über auf die Stirnseiten der Batterie aufgesetzte und mit Sammelkanälen versehene Körper erfolgt, ist der Aufbau der Batterie vereinfacht und ihre Stabilität erhöht Hierbt; ist von besonderer Bedeutung, daß die mit den Sammelkanälen versehenen Körper ebenso wie die Trennwände im wesentlichen aus Keramik bestehen, wodurch die Herstellung und die gegenseitige Befestigung der Bauelemente weitgehend vereinfacht ist

Die unlösbare Verbindung der einzelnen Elemente untereinander kann beliebig sein, z. B. durch Kleben. In vorteilhafter Weise sind jedoch die mit Elektroden versehenen Festelektrolyte von Hochtemperatur-Festelektrolyt-Batterien mit einer Sinterverbindung an den Trenn- bzw. Abschlußwänden befestigt

Sind die einzelnen Elemente der Batterie mit iinienförmigen Berührungsflächen aufeinandergeschiditet, so bewährte es sich, wenn wenigstens die dem Rand der Batterie benachbarten Verbindungen zwischen den Festelektrolyten und den Trenn- bzw. Abschlußwänden gasdicht ausgeführt sind. Hierdurch wird die Batterie auf einfache Weise nach außen abgedichtet, so daß in diesem Bereich eine besondere Abdichtung entfallen kann.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß die Wellenlänge der sinusförmigen Wellungen etwa ihrer vierfachen Amplitude entspricht Hierdurch werden einerseits die Reaktionsräume in ihrem Querschnitt nicht zu klein und andererseits der Abstand von Stellen, an denen Festelektrolyte bzw. die Elektroden an den Trennwänden befestigt sind, nicht allzu groß, so daß der elektrische Strom an verhältnismäßig vielen Stellen von den Elektroden abgenommen bzw. zu den Elektroden geführt werden kann. Die Strombelastung der Elektroden ist hierdurch verringert « und der Innenwiderstand der Batterie verkleinert

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbuspielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen hervor. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine Festelektrolyt-Batterie mit gewellten Elektrolyten und Elektroden sowie ebenen Trennwänden in perspektivischer Darstellung, mit einem abgenommenen, einen Sammler bildenden Körper,

F i g. 2 den abgenommenen Körper der F i g. 1 in so perspektivischer Darstellung und

Fig.3 einen Ausschnitt aus einer anderen Ausführungsvariante der Festelektrolyt-Batterie mit gewellten Trennwänden sowie mit gewellten Elektrolyten.

Die in F i g. 1 gezeigte Festelektrolyt-Batterie 14 ist mit gewellten Elektroden tragenden Festelektrolyfen und ebenen Trenn- bzw. Abschlußwänden von vorzugsweise rechteckiger Form aufgebaut Hierzu ist auf der ebenen unteren plattenförmigen Abschlußwand 4 ein gewellter plattenförmiger Festelektrolyt 1 vorgesehen. Auf beiden Seiten des Festelektrolyten sind die Elektroden 2 aufgebracht Sie sind als poröse Kathoden bzw. Anoden ausgebildet und Oberdecken die Flächen des Festelektrolyten 1, so daß an den Berührungsstellen zwischen Festelektrolyt und Trennwand bzw. Abschlußwand jeweils die Elektroden zwischengeschaltet sind. Auf dem gewellten Festelektrolyten 1 ist weiter eine ebene Trennwand 3 vorgesehen, welche in ihrem Aufbau etwa der Abschlußwand 4 entspricht Der weitere Aufbau der quaderförmigen Batterie ist nun so, daß Festelektrolyte 1 und Trennwände 3 abwechselnd aufeinandergeschichtet sind und das obere Ende mit einer weiteren Abschlußwand 4 versehen ist Die Wellungen 13 der einzelnen Festelektrolyte sind ungefähr sinusförmig und sie verlaufen mit gleicher Frequenz 29 und gleicher Amplitude, wobei sich jeweils Wellentäler bzw. Wellenberge an den Berührungsstellen mit den Trennwänden 3 gegenüberstehen, die Frequenzen zweier aufeinanderfolgender Wellungen sind nämlich um 180° in der Phase verschoben. Um der Batterie einen festen Zusammenhalt zu geben, sind die Festelektrolyte mit den Trenn- bzw. Abschlußwänden wenigstens an einigen Stellen, vorzugsweise jedoch an sämtlichen Berührungsstellen unlösbar miteinander verbunden. Dies geschieht vorzugsweise durch Sintern.

Um Biegespannungen in den ebenen Trennwänden 3 zu vermeiden, sind, wie bereits erwähnt, die gewellten Festelektrclyte an den Trennwänden so befestigt, daß die Befestigungsstellen oder Berf'v.-ungsstellen sich jeweils gegenüberstehen.

Zwischen den gewellten Festelektrolyten 1 und den ebenen Trenn- 3 bzw. Abschlußwänden 4 sind die kanalartigen Reaktionsräume 8 mit einem Wellenprofil gebildet, Sie durchziehen die Festelektrolyt-Batterie von einer zur anderen Stirnseite, wo sie in aufgesetzte Körper 5 münden, die als Sammler ausgebildet sind. In F i g. 1 ist nur der hintere Körper 5 aufgesetzt dargestellt, der vordere Körper ist abgenommen, um den inneren Aufbau der Festelektrolyt-Batterie besser erkennen zu können. Dieser vordere Körper 5 ist in F i g. 2 als Einzelheit dargestellt, bei der betriebsfertigen Batterie ist er selbstverständlich genau wie der hintere Körper 5 auf die vordere Stirnseite der Batterie aufgesetzt

Die Körper 5 bestehen im Falle von Hochtemperatur-Batterien aus Keramik in Form von Platten, in die Sammelkanäle 12 und Anschlußöffnunger 11 eingearbeitet sind, um die Reaktanden von außen zuführen bzw. die Reaktionsprodukte nach außen abführen zu können. Die Befestigung der Körper 5 auf der quaderförmigen Batterie geschieht vorzugsweise mit Hilfe einer Sinterverbindung. Die Körper 5 dürfen, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden, selbstverständlich nicht elektronenleitend sein.

Die Seitenwände der Batterie können ebenfalb mit Platten verschlossen sein. Doch ist es vorteilhafter, die seitlichen Enden 22 der gewellten Festelektrolyte 1 an ihren jeweiligen Berührungsstellen mit den Trenn- bzw. Abschlußwänden gasdicht zu befestigen. Hierdurch wird ein einfacher dichter Abschluß der Batterie bzw. der Reaktionsräume nach außen erzielt, so daß besondere seitliche Abschlußwände nicht erforderlich sind.

Bei diesem Aufbau der Batterie haber. die keramischen Trennwände 3 zweierlei Funktion. Einmal müssen sie die Reaktanden voneinander trennen, sie müssen daher gasdicht ausgeführt sein, zum anderen müssen sie die Elektroden dt.· aufeinanderfolgenden Festelektrolyte elektrisch leitend miteinander verbinden. Auf diese Weise bewirken sie die elektrische Hintereinanderschaltung der einzelnen Zellen der Batterie, so daß an den Abschlußwänden 4, die als Stromabnehmer dienen, eine der Zahl der Batterien entsprechende Spannung abgenommen weraen kann. Beim Einsatz der Batterie als Elektrolyseur ist dagegen eine entsprechende Spannung zuzuführen.

Den in F i g. 1 gezeigten Aufbau mit geweilten Elektrolyten f und ebenen Trennwänden 3 wird man dann bevorzugen, wenn in einer Batterie gegebener Größe Festelektrolyte mit großen Reaktionsflächen vohranden sein sollen, d. h. wenn die Batterie eine hohe Leistung bei geringem Bauvolumen und/oder Gewicht abgeben soll.

Gemäß Fig.3 besteht eine Ausführungsvariante der Festelektrolyt-Batterie darin, daß die Trennwände 6 und die Festelektrolyte 1 samt Elektroden 2 wellenförmig ausgebildet und an den Scheiteln 31 der Wellentäler und Wellenberge aneinander befestigt sind, so daß die quaderförmige Batterie irr Querschnitt wabenförmig aussteht. Der weitere Anbau der Batterie entspricht dem in F i g. 1 gezeigten. Diese Ausführungsform wird man insbesondere dann verwenden, wenn bei stabilem Aufbau Reaktionsräume 8 von großem Querschnitt und mit großen Reaktionsflächen erforderlich sind.

Soii die Fesieiekirui/i-Baücne als EickirolySEür z. B. für Wasser betrieben verden, so wird der einen Gruppe von Reaktionsräume! über die entsprechenden Sammler der zu zersetzen ie Wasserdampf und der anderen Gruppe Luft als Kü ilmedium zugeführt. Am Ausgang der entsprechenden Reaktionsräume kann über die betreffenden Sammler der erzeugte Wasserstoff zusammen mit dem überschüssigen Wasserdampf sowie der erzeugte Sauerstoff zusammen mit der restlichen Luft entnommen werden. Der für die Elektrolyse erforderliehe elektrische Strom wird den Abschlußwänden 4 zugeführt.

Soll mit der Festelektrolyt-Batterie dagegen elektrischer Strom erzeugt werden, so wird der einen Gruppe von Reaktionsräumen, deren Elektroden als Anoden ausgebildet sind, Brennstoff, z. B. in Form von Wasserstoff, zugeführt, während der anderen Grvppu von Reaktionsräumen, deren Elektroden als Kathoden ausgebildet sind, ein Oxydationsmittel, z. B. Luft, zugeleitet wird. Der bei der elektrochemischen Verbrennung entstehende Strom wird an den Abschluß wänden 4 abgenommen und die Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser und Stickstoff, werden an den entsprechenden Enden der Reaktionsräume über die anderen Surnmler sb°eleite!.

Bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen können die Abschlußwände 4 bezüglich ihrer Form wahlweise eben oder gewellt ausgeführt sein. Am einfachsten ist es jedoch, wenn Trennwände und Abschlußwände in Form und Material identisch ausgeführt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Festelektrolyt-Batterie für die Elektrolyse oder Erzeugung elektrischer Energie mit aufeinandergeschichteten Zellen, die jeweils einen beidseitig mit flächigen Elektroden versehenen plattenförmigen Festelektrolyten und zwischen die Zellen eingefügte sowie als Batterieabschluß ausgebildete gasdichte, elektronenleitende Trenn- bzw. Abschlußwände to aufweisen, die zusammen mit den Elektroden die Reaktanden bzw. die Reaktionsprodukte führende, an den Enden offene kanalförmige Reaktionsräume bilden, welche ein wellenförmiges Profil aufweisen, wobei die einzelnen Zellen an den Wellenbergen und ι s -tälern der Reaktionsräume miteinander bzw. mit den Abschlußwänden verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolyte (1) samt Elektroden (2) wellenförmig und die Trennwände (3) eben oder die Festelektrolyte (1) samt Elektroden (2) und die Trennwände (6) wellenförmig ausgebildet und mit in gleiche Richtung zeigenden Wellungen aufeinandergeschichtet sind, daß jeweils eine einzige Trennwand (3, 6) zwischen benachbarten Zellen angeordnet und zur Bildung der Batterie an den Elektroden (2) mit möglichst kleinen Berührungsflächen unlösbar befestigt ist, und daß die Reaktionsräume (8) an ihren Enden jeweils in Reaktionsräume gleicher Funktion zusammenfassende Sammelkanäle (12) münden, die in mindestens einen, auf die jeweilige Stirnseite der Batterie aufgesetzter, und mit Anschlußöffnungen (11) versehenen Körper (5) eingrrbeitet sind, wobei die Körper ebenso wie dte Trennwände aus Keramik bestehen.

2. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 1 für hohe Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Elektroden (2) versehenen Festelektrolyte (1) mit einer Sinterverbindung an den Trenn- (3,6) bzw. Abschlußwänden (4) befestigt sind.

3. Festelektrolyt-Batterie nach Anspruch 1 oder 2 mit linienförmigen Berührungsflächen der aufeinandergeschichteten Elemente, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die dem Rand (22) der Batterie benachbarten Verbindungen zwischen den Festelektrolyten (1) und den Trenn- (3,6) bzw. Abschlußwänden (4) gasdicht ausgeführt sind.

4. Festelektrolyt-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge (29) der sinusförmigen Wellungen (13) so etwa ihrer vierfachen Amplitude entspricht