DE2529470A1

DE2529470A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE2529470A1
Application number: DE19752529470
Authority: DE
Inventors: Jacques Cheron
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1974-07-04
Filing date: 1975-07-02
Publication date: 1976-01-22
Also published as: NL7508043A; FR2277443B1; FR2277443A1; IT1039684B; BE830800A; CA1057819A; JPS5130328A; GB1510678A; CH586960A5

Description

Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen, die eine beachtliche Verminderung ihres Gewichts bei gegebener Leistung ermöglichen.

Brennstoffzellen, die einen Brennstoff und einen gasförmigen Sauerstoffträger ausnützen, umfassen einen Stapel mikroporöser Elektroden, die wasserdicht sind und zwischen sich Räume für die Zirkulation eines Elektrolyten, beispielsweise einer Kaliumhydroxyd- oder Pottaschelösung; Räume für die Zirkulation eines Brenngases,wie beispielsweisevfess^e^s"toff und Räume für die Zirkulation eines Sauerstoffträgergases wie reinem Sauerstoff oder Luft bilden.

Diese Itäume für die Zirkulation der Gase sind zu beiden Seiten der Räume für die Zirkulation des Elektrolyten angeordnet.

Ein Nachteil der zur Zeit verfügbaren Brennstoffzellen

509884/1052

? 9 4 7 π

dieses Typs ist in ihrem relativ erheblichen Gewicht zu sehen, wobei ein erheblicher Bruchteil hiervon durch das Gewicht des Elektrolyten gebildet wird.

Man kann auch daran denken, dae Gewicht des im Brennstoffzellenblock enthaltenen Elektrolyten zu vermindern, indem man den Abstand der Elektroden vermindert, welche die Kammern der Brennstoffzelle, in denen der Elektrolyt zirkuliert, begrenzt, ohne daß man die Oberfläche dieser Elektroden vermindert. In dieser Richtung unterliegt man Jedoch Begrenzungen nicht nur durch Zunahme des Druckverlustes im Elektrolytkreis, sondern insbesondere durch die Schwierigkeit, auf die man trifft, um die Dichtigkeit an den Seitenflächen der Brennstoffzelle hervorzurufen.

Man erhält nämlich diese Abdichtung im allgemeinen dadurch, daß man den Block in ein Harzbad absetzt, das auf jeder seiner Seitenflächen aufeinanderfolgend verfestigbar ist; die Annäherung der Elektroden birgt aber die Gefahr in sich, daß die/Hottte bis zu der das flüssige Harz infolge Kapillarwirkung ausgehend von der Seite, auf der der Block im Bad ruht, vergrößert wird, was auf diese Weise zu einer Verminderung der aktiven Fläche der Elektroden führt.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme soll somit vor allen Dingen das Gewicht der Brennstoffaellen durch Verminderung des notwendigen Gewichts des Elektrolyten ohne eine Erhöhung der Eindringtiefe des Dichtungsharzes in den Block ausgehend von den Seitenflächen des letzteren vermindert werden.

5 0 U 8 8 h I 1 0 5 ?

? 5 ? 9 A 7 Π

Erreicht wird dies "bei einer Brennstoffzelle der eingangs genannten Art dadurch, daß zur Verminderung des Elektrolytvolumens im Block pro Flächeneinheit der Elektroden die Elektroden auf einer ihrer Flächen einen zentralen reliefartig bezogen auf den Umfang dieser Fläche ausgebildeten Teil aufweisen und daß diese Elektroden derart angeordnet sind, daß die Räume für die Zirkulation des Elektrolyten einen durch diese Flächen-verminderten Querschnitt aufweisen, dessen zentraler Teil reliefartig ausgebildet im Verhältnis zu zwei benachbarten Elektroden des Blockes ist, wobei die Räume für die Zirkulation jedes der ü-ase durch die andere Fläche der beiden benachbarten Elektroden des Blockes begrenzt sind.

Die Erfindung soll nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen:

Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Brennstoffzellenblock an sich bekannter Art zeigt j

Fig. 2 zeigt eine Elektrode nach der Erfindung;

Fig. 2A ist eine Darstellung der Elektrode im Schnitt längs A-Aj

Fig. 3 zeigt schematisch eine Brennstoffzelle nach der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Detailansicht dieser Zelle in größerer Darstellung;

Fig. 5 erläutert den Strömungsweg des Elektrolyten quer durch den Brennstoffzellenblock; und

BO 9 8 8 A /1 0 5? -4-

5 7 9 Λ 7 η

Pig. 6 zeigt die Herstellung der Abdichtung auf einer der Seitenflächen des Blockes.

Pig. 1 zeigt schematisch im Schnitt einen Brennstoffzellenblock an sich bekannter Art.

Dieser Block wird durch einen Stapel von Elektroden E₁, En, E~.... gebildet. Diese Elektroden bilden zwischen sich Räume, wie beispielsweise den Kaum 1, für die Zirkulation eineg Elektrolyten, beispielsweise einer Pottasche- bzw. KOH-Lösung; Räume,wie beispielsweise zwei,für die Zirkulation eines Brenngases, beispielsweise Wasserstoff H₂ und Räume,beispielsweise 3»für die Zirkulation eines Sauerstoffträgergases, beispielsweise von Luft.

Diese Elektroden sind mikroporös und lassen die Gase, jedoch nicht den Elektrolyten diffundieren und sind mit geeigneten metallischen Katalysatoren abgedeckt, welche die elektrochemischen Reaktionen in Kontakt mit dem Elektrolyten, wie dies an sich bekannt ist, begünstigen.

Sie sind miteinander elektrisch über Polbrücken 4, 5 und 6 verbunden, wobei die Art der dargestellten Verbindung nicht als begrenzend anzusehen ist. Mit P₁ und Ρ« sind metallische Platten bezeichnet.

Diese Brennstoffzellen schließen ein erhebliches Elektrolytgewicht ein, das in der Größenordnung von einem Drittel des Gesamtgewichts der Brennstoffzelle betragen kann.

Dieses Gewicht kann reduziert werden, indem man die

60988 U /105? ~⁵~

Elektroden E₁ , Ep t E ...,deren Abstand gewöhnlich in Millimetergrößenordnung liegt, annähert.

Eine solche Annäherung macht jedoch die Durchführung der Abdichtung auf den Seitenflächen des Brennstoffzellenblockes aus den oben angegebenen Gründen schwierig.

Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme unter Verwendung von Elektroden,wie beispielsweise der in Fig. 2 und der Fig. 2A dargestellten Elektrode E»gelöst, wobei Fig. 2A ein Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2 ist.

Diese Elektrode, die in an sich bekannter Weise am Umfang "Anschlußfahnen" zur elektrischen Verbindung 9, 10, 11 und 12 aufweist, um ihren Anschluß an Verbindungspolbrücken, wie beispielsweise die Polbrücken 4t 5 und 6 der Fig. 1, zu ermöglichen, weist eine Fläche aus im wesentlichen reliefartigen Elementen ( Unterseite in den Fig. 2 und 2A)und eine Oberseite 7 auf. Nach der dargestellten Ausführungsform ist diese andere Leite ( Oberseite ) im wesentlichen hohl.

Aus Vereinfachungsgründen werden diese Flächen einfach "konvexe" Fläche und "konkave" Fläche genannt.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform nach der Erfindung. Fig. 4 ist ein Detail in größerer Darstellung. In diesen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen entsprechende Elemente.

Wie diese Figuren erkennen lassen, sind die Elektroden

5 0 9 8 8 4/105? " ⁶ "

2 5 ? 9 4 7 Π

nach der Erfindung, wie beispielsweise E^ und E₂ ,derart angeordnet, daß die Bäume zur Zirkulation des Elektrolyten, wie beispielsweise der Kaum 1,durch die angenäherten konvexen Flächen von zwei benachbarten Elektroden des Blocks begrenzt sind und die Räume, wie 2 und j>, zur Zirkulation der Gase durch die konkaven flächen von zwei benachbarten Elektroden des Blockes begrenzt sind.

Auf diese Weise wird es möglich, in beachtlicher Weise die .Flächen der Elektroden, wie E^ und Ep, einander anzunähern, welche die Räume, in denen der Elektrolyt zirkuliert, begrenzen, wobei jedoch diesen Elektroden benachbart ihren Rändern ein ausreichender Abstand belassen wird, um ein Hochsteigen des Abdichtungsharzes infolge Kapillarwirkung im Innern des Blockes bei dem mit Bezug auf Fig. 5 beschriebenen Vorgang zu verhindern.

Der Abstand zwischen den Elektroden E.. und E₂ kann beispielsweise auf einen Wert, der wesentlich kleiner als 1 mm, beispielsweise 0,5 mm und vorzugsweise in der Größenordnung von 1/10 mm oder selbst weniger beträgt, vermindert werden, wobei der Abstand zwischen diesen Elektroden durch irgendein geeignetes Mittel, beispielsweise durch Verwendung eines dünnen Filzblattea 13, das mit Elektrolyt getränkt wird, aufrechterhalten werden kann.

Die konkaven Flächen der Elektroden wie E₂ und E, werden in an sich bekannter Weise durch isolierende Separatoren 14 unter Abstand gehalten, welche die Gase ( Brenngas und Sauerstoffträgergas ) durchlassen. Der Vergleich der

— 7 —

B (J 9 8 8 A / 1 0 f; ?

? 5 7 Π .', 7 η

Figuren 1 und 2 läßt erkennen, daß das Volumen der Räume wie 2 und 3, in denen die Gase zirkulieren, gemäß der Erfindung erhöht werden kann, was das Ausströmen dieser Gase erleichtert. Nach einer bevorzugten Ausfiihrungsform der Erfindung umfassen die konvexen Flächen wie die Fläche 8 Transversalkanäle 15 ( von der Leite der Konkavfläche in Fig. 2 aus gesehen ).

Die Kanäle 15 der Elektroden wie E₁ und E₂ sind im Brennstoffzellenblock (Fig. 3 und 4) einander gegenüber derart angeordnet, daß die Käume für die Zirkulation des Elektrolyten im Brennstoffzellenblock Kanäle 16 umfassen, die das Ausströmen und die Verteilung des Elektrolyten erleichtern.

Diese Strömung des Elektrolyten quer durch den Brennstoffzellenblock ist durch die Pfeile in Fig. 5 angedeutet. Nach dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 17 die für die Dichtheit des Blocks sorgende Harzumhüllung. In dieser Umhüllung sind zwei öffnungen 18 und 19 für den Eintritt bzw. Austritt des Elektrolyten vorgesehen.

Fig. 6 läßt erkennen, wie die Abdichtung der Flächen des Brennstoffblocks herbeigeführt wird.

Dieser Block wird in einem Behälter 20 gesetzt, der ein Bad aus einem isolierenden verfestigbaren Material, beispielsweise einem Epoxyharz, enthält, welches, indem es aushärtet, die Dichtheit auf der in den Behälter 20 tauchenden Fläche des Blockes sicherstellt.

¹ · η μ ρ η /, /1 ο B ?

5 29 k 7Π

Die reliefartige Ausbildung der Elektroden wird herbeigeführt, indem man einen Rand einer gewissen Breite stehen läßt.

Somit ist die Entfernung zwischen den Elektroden wie E.J und E₂ größer in der Nähe der Ränder,verglichen mit der der Elektroden nach dem Stand der Technik ( siehe die Pig. 1 und 3)> wodurch es möglich wird, die Gefahren eines Hochsteigens des flüssigen Harzes im Innern des Brennstoffzellenblocks zu vermeiden.

Die Breite 1 dieses Randes der Elektroden wird vom Fachmann als Punktion der Reliefhöhe d und der Oberflächenspannung des flüssigen Harzes gewählt, damit die Steighöhe des Harzes durch Kapillarwirkung in der Stellung der Pig. 6 kleiner als die Entfernung zwischen dem Rand der Brennstoffzelle und dem Ende des die Elektroden trennenden Elementes 13 wird.

Der Aufbau der Elektroden ( Materialien, Porosität, Katalysatoren ), die im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht von Bedeutung sind, ist der Wahl durch den Fachmann überlassen.

Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Technik wird es möglich, das Gewicht des Elektrolyten in beachtlicher Weise zu vermindern.

Dieses Gewicht stellt etwa die Hälfte des Gewichts des trocken Blocks ( ohne Elektrolyten ) in einer Brennstoffzelle der bekannten Art dar. Bei einer Brennstoffzelle nach der Erfindung macht es nur 10 bis 20 Ji

50988W 1 05?

2 b 2 9 A 7

— 9 —
dieses Gewicht des trockenen Blockes aus.

Im übrigen schlägt eich diese Verminderung des Gewichts des Elektrolyten in der Brennstoffzelle in dem Gewicht des Elektrolyten, der im Puffer- , Vorrats- bzw. Dämpfertrog im Elektrolytspeisekreis der Brennstoffzelle notwendig ist, nieder, wobei dieser Vorratstrog dazu dient, die Konzentration des Elektrolyten während des Arbeitens der Brennstoffzelle im wesentlichen konstant zu halten.

Das Gewicht des Elektrolyten in diesem Vorratstrog kann so um etwa die Hälfte vermindert werden.

Ansprüche - 10 -

509884/1052

Claims

- 10 ANSPRÜCHE

1. Brennstoffzelle mit einem Block aus einem Stapel von Elektroden, die zwischen sich Räume für die Zirkulation eines Elektrolyten, Räume für die Zirkulation eines Brenngases sowie Räume für die Zirkulation eines Sauerstoffträgergases belassen, wobei die Räume für die Zirkulation der Gase zu beiden Seiten der Räu» für die Elektrolytzirkulation angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung des Elektrolytvolumens im Block pro Flächeneinheit der Elektroden die Elektroden auf einer ihrer Flächen einen zentralen bezüglich des Umfangs dieser Fläche reliefartig ausgebildeten Teil aufweisen; und daß diese Elektroden derart angeordnet sind, daß die Räume für die Zirkulation des Elektrolyten einen durch diese Flächen verminderten Querschnitt aufweisen, deren zentraler Seil reliefartig bezüglich zwei benachbarter Elektroden des Blockes ausgebildet ist, wobei die Räume für die Zirkulation jedes der Gase durch die andere Fläche der beiden dem Block benachbarten Elektroden begrenzt sind.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen, deren zentraler !Dell reliefartig bezüglich zweier benachbarter Elektroden ausgebildet ist, unter einem Abstand von weniger als 1 mm voneinander getrennt vorgesehen sind.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen, deren zentraler !Teil reliefartig bezüglich zweier benachbarter Elektroden ausgebildet ist, unter einem Abstand von weniger als 0,5 mm , vorzugsweise von weniger als 0,1 mm, getrennt angeordnet sind.

- 11 -

509884/ 1052

252947Π

- ii -

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die !lachen, deren zentraler Teil reliefartig bezüglich der beiden benachbarten Elektroden ausgebildet ist, Kanäle aufweisen, derart, daß die Räume für die Zirkulation des Elektrolyten im Block Kanäle umfassen, die die Strömung und Verteilung des Elektrolyten erleichtern.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Abdichtung dieser Räume auf den seitlichen Flächen deB Blockes dadurch sichergestellt ist, daß man den Block in ein Bad isolierenden verfestigbaren Materials auf ;jeder seiner Flächen nacheinander absetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eine Fläche aufweisen, die ein Stück vom Rand ausreichender Breite reliefartig ausgebildet sind, derart, daß in der angenäherten Stellung der Flächen der Elektroden, in der die Räume für die Zirkulation des Elektrolyten begrenzt sind, die Eindringtiefe des Materials in den Block infolge Kapillarität ausgehend von der Fläche, auf der letzterer im Bad ruht, höchstens gleich der Breite des Randes der Elektroden ist.

6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch isolierende Trennelemente zwischen diesen Elektroden.

7. Elektrode für Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Fläche aufweist, deren mittlerer Teil bezüglich des Umfangs der Elektrode reliefartig ausgebildet ist.

8. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- 12 -

50 9 0 0/*/ 1 0 5 ?

ORIGINAL INGPECTED

daß sie Kanäle in dieser fläche aufweist, deren mittlerer Teil reliefartig ausgebildet ist.

9. Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie im mittleren Teil auf der Fläche entgegengesetzt zu der, deren mittlerer Teil reliefartig ausgebildet ist, hohl 1st.

50988Λ/ 1052