DE2607690A1

DE2607690A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE2607690A1
Application number: DE19762607690
Authority: DE
Inventors: Jacques Cheron; Alain Grehier
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1975-02-25
Filing date: 1976-02-25
Publication date: 1976-09-02
Also published as: FR2302600A1; CA1057816A; IT1067505B; US4037023A; GB1499963A; JPS51109443A; BE838819A; NL7601892A; CH607338A5; FR2302600B1

Description

Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen.

Brennstoffzellen der hier betrachteten Bauart umfassen eine Stapelanordnung von Elementen, die zwischen sich Räume zur Aufnahme eines Elektrolyten, beispielsweise einer Kaiiumhydroxidlösung KOH; Räume für die Zirkulation eines Brennstoffes wie Wasserstoff; und Räume für die Zirkulation eines Verbrennungsmittels (Sauerstoffträgers), wie reiner Sauerstoff oder Sauerstoff der Luft, bilden können, wobei die Räume für die Zirkulation dieser Reaktionsmittel zu beiden Seiten der den Elektrolyten enthaltenden Räume angeordnet sind.

Nach einer ersten Bauart sind sämtliche Elemente durch Elektroden gebildet, die im allgemeinen eine geringe Dicke aufweisen und die Verwendung sogenannter isolierender Separator-Einrichtungen erfordern,

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deren Ziel es ist, den Abstand zwischen den Elektroden zu halten und ihre Verformung im Falle verformbarer Elektroden zu verhindern.

Die Verwendung von Separatoren, die nur eine mechanische Rolle spielen und die beim Vorgang der Erzeugung elektrischer von der Zelle gelieferter Energie nicht teilnehmen, bringt Nachteile mit sich.

Zunächst erhöhen diese Separatoren das Gewicht der Brennstoffzelle, was sich als Verminderung des Leistungsgewichts der Zelle darstellt.

Da sie darüber hinaus in den Kammern der Brennstoffzelle, quer durch welche die Reaktionsteilnehmer zirkulieren, angeordnet sind, erzeugen sie in der Strömung der Reaktionsteilnehmer beachtliche Druckverluste, die durch eine stärkere Dimensionierung der die Reaktionsteilnehmer enthaltenden Kammern kompensiert werden müssen oder bei denen es notwendig ist, wenn diese Reaktionsteilnehmer gasförmig sind, die G-ase unter einem erhöhten Druck zu verwenden.

Bei anderen Ausführungsformen der Brennstoffzellen bestehen allein die eine Trennung zwischen einer den Elektrolyten enthaltenden Kammer und einer einen Reaktionsteilnehmer enthaltenden Kammer bildenden Elemente aus Elektroden. Die für die Trennung zwischen zwei von den Reaktionsteilnehmern durchsetzten Kammern sorgenden Elemente sind durch metallische dichte und leitfähige Platten gebildet, die zwischen zwei Elektroden angeordnet sind. Diese Platten sind allgemein von ge-

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wellter Gestalt und sorgen so für die elektrische Yer-"bindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden mit denen sie in Kontakt stehen; ihr Ziel ist auch darin zu sehen, den Abstand zwischen diesen Elektroden aufre chtzuerhait en.

Es wäre nun sehr wesentlich, wenn man auf die isolierenden Separatoren, wie sie allgemein bei Brennstoffzellen der ersten oben angegebenen Art verwendet werden, verzichten könnte, um so das Gewicht und/oder die Abmessungen der Brennstoffzelle zu vermindern. Auch soll auf ;jeden Pail der Brennstoffzellen_block nach der Erfindung vereinfacht und die Vorgänge beim Stapeln der Elemente des Zellenblockes vereinfacht werden.

Vorzugsweise ist es bei Brennstoffzellen mit flüssigem Elektrolyten, wobei letzterer in den den Elektrolyten enthaltenden Räumen zirkuliert, ebenfalls möglich, in beachtlicher Weise das Volumen der Räume, in denen der Elektrolyt zirkuliert, zu vermindern, was zu einer erheblichen Gewichtsverminderung dieser Brennstoffzellen führt.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen:

Pig. 1 schematisch im Schnitt eine erste Ausführungsform der Brennstoffzelle der bekannten Art erkennen läßt}

Pig. 2 zeigt perspektivisch eine Elektrode für eine Brennstoffzelle nach der Erfindung;

Pig. 3 läßt schematisch im Schnitt eine andere Ausführungsform einer Brennstoffzelle nach der

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Erfindung erkennen;
Fig. 4 ist eine Variante zu Pig. 3; die

Pig. 5, 6 und 7 zeigen verschiedene mögliche Profile für die Erhebungen 13;

Pig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform einer Elektrode für eine Brennstoffzelle nach der Erfindung;

Pig. 9 schematisiert eine Variante zu Pig.8;

Pig. 10 zeigt einen Teilstapel von Elektroden im Schnitt, wobei das Volumen der den Elektrolyt aufnehmenden Kammern "beachtlich vermindert ist;und

Pig. 11 zeigt eine andere Ausführungsform beim Stapeln der Elemente des Zellenblocks.

Pig. 1 illustriert schematisch eine Ausführungsform nach dem Stand der leehnik.

Diese Brennstoffzelle umfaßt einen Block, der aus einem Stapel planer Elektroden E^, E₂* E^... gebildet ist, welche Räume 1 zur Aufnahme eines Elektrolyten, beispielsweise einer Kaliumhydroxidlösung,begrenzen, Räume 2, in welchen ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff Hp zirkuliert und Räume 3» in denen ein Verbrennungsmittel, insbesondere ein Sauerstoffträger, wie reiner Sauerstoff oder Luft, zirkuliert, wobei die diese Reaktionsteilnehmer aufnehmenden Räume zu beiden Seiten des Raums, in den der Elektrolyt eingeführt wird, angeordnet sind.

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Die Speisung des Zellenblocks erfolgt in einer Sichtung senkrecht zur i'igurenebene.

Die Elektroden sind mit geeigneten Katalysatoren überzogen, welche die elektrochemischen Reaktionen in Zontakt mit dem Elektrolyten in an sich "bekannter Weise begünstigen.

Die Elektroden sind elektrisch, beispielsweise wie in Pig. 1 zu sehen, mittels elektrisch leitender Polbrücken 4, 5» 6 und 7 verbunden. Mit P.. und P„ sind metallische Platten an den Enden des Elektrodenstapels bezeichnet.

In den mit Brennstoff gespeisten Kammern und in den mit Sauerstoffträger gespeisten Kammern sind Separatoren 8, welche die Elektroden halten, angeordnet.

Das Vorhandensein dieser Separatoren trägt zum Gewicht des Zellenblockes bei und erzeugt einen erheblichen Druckverlust in der Reaktionsfluidströmung, insbesondere wenn diese von gasförmiger Natur sind.

Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme können diese Separatoren in iOrtfall kommen, indem Elektroden Verwendung finden, wie sie perspektivisch in Pig. 2 dargestellt sind.

Diese Elektrode, die an ihrem Umfang mit Stegen 9 bis versehen ist, um deren Anschluß an Polbrücken zur elektrischen Verbindung, wie sie in 4 - 7 in SIg. 1 dargestellt sind, zu ermöglichen (nur als vorzugsweise Verbindungsart zwischen den Elektroden dargestellt), trägt Vorsprünge in lorm von Erhebungen 13 auf ihrer eine mit Reaktionsfluid während des Zellenbetriebs gespeisten Kammer begrenzenden

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Oberflache. Die Erhebungen 13 sind derart verteilt, daß "beim Stapeln der Elektroden die Erhebungen einer Elektrode sich gegen die Erhebungen der ihr gegenüberliegenden Elektrode abstützen, um eins ein Reaktionsfluid enthaltende Kammer zu begrenzen, wie in Fig. 3 schematisch angedeutet, welche einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Brennstoffzelle nach der Erfindung zeigt.

Diese Erhebungen werden vorzugsweise mittels eines Tiefzieh- oder Drückvorgangs erhalten.

Die Anzahl der Erhebungen, deren Eorm und deren Yerteilung werden als !Punktion der Abmessungen der Elektroden (Dicke, Länge, Breite etc...), des diese Elektroden bildenden Materials und des maximal zulässigen Druckverlustes in der Strömung der Reaktionsfluide durch den Zellenblock etc.. ausgewählt.

Nach dem in Eig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Höhe h der Erhebungen gleich der Hälfte der Höhe H zwischen zwei eine mit Reaktionsfluid gespeiste Kammer begrenzenden Elektroden.

Im Rahmen der Erfindung kann man aber auch Erhebungen derart ausgestalten, daß ihre Höhe gleich dem oben definierten Abstand»insgesamt an wenigstens einer der diese Kammern begrenzenden Elektroden, wie Pig.4 zeigt, ist.

Es ist selbstverständlich auch möglich, an zwei aufeinanderfolgenden Elektroden Erhebungen unterschiedlicher Höhe h herzustellen, vorausgesetzt, daß diese Erhebungen sich gegeneinander abstützen und daß die Summe der Höhen der sich

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gegenüberstehenden Erhebungen gleich der Entfernung H, die zwischen den Elektroden aufrechterhalten werden muß, ist.

Die Pig. 5, 6 und 7 zeigen eine Elektrode E im Schnitt längs der Linie A-A in Pig.2 und lassen Ausführungsbeispiele für unterschiedliche mögliche Profile für die Erhebungen 13 erkennen.

Nach Pig. 5 haben die Erhebungen Kegelstumpfgestalt; in Pig. 6 ist das Profil der Erhebungen 13 gleich dem einer Kugelkalotte, während nach Pig.7 die Erhebungen 13 das Profil einer Kugelkalotte, deren Spitze abgeflacht wurde, haben.

Pig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform einer Elektrode E, bei der die Erhebungen 13 durch im Tiefziehvorgang erhaltene Stufungen oder Rippen ersetzt wurden.

Vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, erstrecken sich diese Rippen in der Richtung P der Strömungsrichtung der Reaktionsprodukte, wenn sie den Zellenblock durchsetzen oder sind entsprechend einer Richtung orientiert, die wenigstens eins Komponente in der Strömungsrichtung P der Reaktionsprodukte haben.

Die Rippen 14 sind geradlinig und können eine Länge gleich der A der Elektrode E aufweisen, wie im linken Teil der Pig. 8 dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, Rippen oder stufen mit einer Länge, die kleiner als die Länge A der Elektrode E (rechter Teil der Pig.8) ist, herzustellen.

Das Profil der Rippen kann trapezförmig, zylindrisch etc. sein, ohne daß diese Beispiele als begrenzend anzusehen wären,

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Wie für die Erhebungen 13 - S¹Ig. 2 bis 7 - kann die Höhe h der Rippen gleich H oder H/2 sein, wobei H der Abstand zwischen zwei Elektroden ist, die eine ein Reaktionsfluid im Zellenbloek enthaltende Kammer "begrenzen.

Pig. 9 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Rippen oder Abstufungen 14 einer Elektrode E. Diese Rippen liegen in der allgemeinen IOrm einer gebrochenen Linie vor.

Die der Elektrode E (]?ig.8) gegenüberstehende Elektrode kann ähnliche so angeordnete Rippen oder Abstufungen aufweisen, daß in der Elektrodenstapelsteilung die Rippen oder Abstufungen einer Elektrode genau die Abstufungen oder Rippen der gegenüberliegenden Elektrode überdecken. Torzugsweise stellt man an der der Elektrode E gegenüberstehenden Elektrode E^f Abstufungen oder Rippen derartiger Anordnung her, daß in der Annäherungsstellung der Elektroden E und E^! die sich gegenüberstehenden Rippen höchstens einige Kontaktpunkte miteinander aufweisen.

Die Rippen oder Abstufungen der benachbarten Elektroden E und E¹ können auch symmetrisch bezüglich der Richtung i¹ der lig. 8 geneigt sein und weisen so zwischen sich eine Vielzahl von Kontaktpunkten in ihrer Annäherungsstellung auf.

Selbstverständlich ist es auch möglich, Elektroden zu verwenden, deren Abstufungen oder Rippen eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, vorausgesetzt, daß in Annäherungsstellung der Elektroden die gegenüberstehenden Rippen oder Abstufungen einige Kontaktpunkte

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miteinander haben. So kann man beispielsweise in ein und der gleichen Stapelanordnung eine Elektrode, wie sie in Ifig. 8 dargestellt ist und eine Elektrode, wie sie bei E in Hg. 9 dargestellt ist,einander zuordnen.

Die so hergestellten Rippen oder Abstufungen weisen bezüglich der Erhebungen 13 (Fig.2) den Torteil auf, daß die Elektroden, die allgemein von geringer Dicke sind, versteift werden.

Man sieht somit, daß der Fortfall der Separatoren für eine konstante Nominalleistung der Brennstoffzelle die folgenden Vorteile zeitigt:

- Verminderung des G-ewichts der Brennstoffzelle;

- Verminderung der Druckverluste in der Strömung der die Brennstoffzelle speisenden Reaktionsprodukte, was eine Verminderung des Abstandes zwischen den die Kammern mit Reaktionsproduktzirkulation begrenzenden Elektroden und somit eine Verminderung in den Abmessungen des Zellenblockes und eine

- Vereinfachung in den Vorgängen der Elektrodenstapelung zuläßt.

Die Elektroden von der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Art, bei denen die Rippen oder Stufen im wesentlichen in Strömungsrichtung der Fluide verlaufen, weisen einen zusätzlichen Vorteil für den Fall von Brennstoffzellen mit einem flüssigen Elektrolyten auf, der in den Elektrolytkammern zirkuliert. Die Bildung der Abstufungen oder Rippen durch Tiefziehen oder Drücken läßt nämlich

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Kanäle auf der Oberfläche der die Elektrolytkammern begrenzenden Elektroden erscheinen. Diese Kanäle erleichtern die Zirkulation von flüssigem Elektrolyt.

Es ist also möglich, wie Eig.lO zeigt, die Entfernung zwischen den die Elektrolytkammern begrenzenden Elektroden E^ und Ep auf einen Wert in der Größenordnung von 1/10 Millimeter zu vermindern, wobei der Abstand zwischen den Elektroden durch irgendein geeignetes Mittel, beispielsweise durch Verwendung einer dünnen Pilzfolie 15, die sich mit Elektrolyt tränkt, aufrechterhalten werden kann.

Eine solche Anordnung ermöglicht es also, die Abmessungen des Zellenblocks zu vermindern, die Menge an benötigtem Elektrolyt sowie das Gewicht der Brennstoffzelle herabzusetzen.

Das Gewicht des in einer Brennstoffzelle nach der Erfindung - entsprechend Fig.9 - enthaltenen Elektrolyten braucht nur 10 bis 20 fo des Gewichts des trockenen Blocks auszumachen, während für eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik mit den gleichen Leistungen das Gewicht des im Zellenblock enthaltenen Elektrolyten etwa 50 $> des Gewichts des trockenen Blocks ausmacht.

Im übrigen wirkt sich diese Elektrolytgewichtsverminderung in der Brennstoffzelle auf das Gewicht des Elektrolyten aus, das im Puffer- oder Speichertrog innerhalb des Elektrolytspeisekreises der Zelle angeordnet ist, wobei dieser Puffertrogdazu dient, im wesentlichen die Konzentration des Elektrolyten während des Zellenbetriebs konstant zu halten.

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Dank der erfindungsgemäßen Maßnahme konnte das Elektrolytgewicht in diesem Puffertrog auf fast die Hälfte vermindert werden.

Eine erhebliche Annäherung der Elektroden E^ und E₂ könnte jedoch zu technologischen Schwierigkeiten "bei der Fabrikation der Zelle führen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, können die Enden der Elektroden vorteilhaft derart verformt werden, daß im Stapel diese Enden zueinander einen Abstand haben, der größer als der der elektrochemisch aktiven Teile der Elektrode ist.

I'ig. 11 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform des Zellenblocks, bestehend aus der Stapelanordnung unterschiedlicher Elemente mit Elektroden E.,, Ep...» welche eine den Elektrolyten enthaltende Kammer und eine vom Reaktionsfluid durchsetzte Kammer begrenzen.

Nach dieser Ausführungsform sind plane Elemente S^ und S₂ zwischen die Oberflächen zweier aufeinanderfolgender Elektroden, welche die Erhebungen oder die Abstufungen tragen, zwischengesetzt. Diese Platten befinden sich in Kontakt mit diesen Erhebungen und begrenzen mit jeder der benachbarten Elektroden eine Kammer, in der ein Reaktionsfluid zirkulieren kann.

Je nach der gewünschten Art der elektrischen Verbindung können diese Platten elektrisch-isolierend oder leitfähig sein. Im letztgenannten Fall können sie in elektrischem Kontakt mit den Erhebungen der benachbarten Elektroden stehen, wobei die Höhen dieser Erhebungen

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dann gleich der Dicke der mit Äeaktionsfluid gespeisten Kammern sind.

Nach einer solchen Ausfihrungsform können die verwendeten Platten S.. von einer sehr geringen Dicke und somit von einem Gewicht sein, das geringer als das der gewellten nach dem Stand der Technik verwendeten Separatoren ist.

Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind selbstverständlich möglich: so kann man "beispielsweise derart gedrückte oder tiefgezogene Elektroden verwenden, daß auf der Oberfläche jeder Elektrode, welche eine ein Reaktionsfluid enthaltende Kammer begrenzt, gleichzeitig Erhebungen wie die in Eig.2 dargestellten sowie Rippen oder Abstufungen erscheinen,wie sie in den Pig.8 und 9 dargestellt sind, wobei die Rippen, Abstufungen und Erhebungen gegebenenfalls sich geometrisch schneiden.

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Claims

- 13 ANSPRÜCHE

1. Brennstoffzelle mit einem Block aus einer Stapelanordnung von Elektroden, die untereinander erste Kammern zur Aufnahme eines Elektrolyts sowie zweite Kammern begrenzen, quer durch welche Reaktionsfluide zirkulieren können, wobei die zweiten Kammern zu beiden Seiten der ersten Kammern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede dieser Elektroden auf ihrer auf der Seite der zweiten Kammer befindlichen Fläche mit Vorsprüngen versehen ist, die mit der gegenüberstehenden Fläche der benachbarten Elektrode der Stapelanordnung in Kontakt stehen.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Elektroden auf ihrer die zweite Kammer begrenzenden Fläche mit Vorsprüngen versehen ist, wobei die Vorsprünge einer der Elektroden sich gegen die Vorsprünge der anderen Elektrode abstützen.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen eine Höhe gleich der halben Dicke der zweiten zwischen den beiden Elektroden begrenzten Kammer aufweisen.

4. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge durch Erhebungen gebildet sind, welche durch Tiefziehen oder Drücken der Elektroden erhalten wurden.

5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge durch Abstufungen oder Rippen gebildet sind, welche durch Tiefziehen oder Metalldrücken der Elektroden erhalten wurden.

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6. Brennstoffselle nach. Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstufungen oder Hippen geradlinig verlaufend ausgebildet sind.

7. Brennstoffzelle nach. Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Abstufungen oder Rippen die Gestalt einer gebrochenen Linie aufweisen.

8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7f dadurch gekennzeichnet, daß die Abstufungen oder Rippen in einer Richtung orientiert sind, die wenigstens eine Komponente parallel zur Strömungsrichtung der im Zellenblock zirkulierenden Fluide aufweisen.

9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden^der Stapelanordnung , durch die diese ersten Kammern gebildet werden, von sehr geringem Wert ist, daß ein isolierendes und poröses Material zwischen diesen Flächen angeordnet ist und daß die Enden dieser Elektroden verformt sind, um zwischen sich Abstände hervorzurufen, die größer als die sind, welche die Seile der elektrochemisch aktiven Elektroden trennen, ^flächen

10. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Vorsprünge durch Abstufungen oder Rippen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstufungen oder Rippen einer Elektrode an wenigstens einer Stelle in Kontakt mit den Abstufungen oder Rippen der benachbarten Elektrode stehen.

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11. · Brennatoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge gleichzeitig durch Abstufungen oder Rippen und Erhebungen gebildet sind.

12. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstufungen oder Hippen der
benachbarten Elektroden symmetrisch bezüglich einer
gemeinsamen Richtung geneigt sind.

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