DE3013043A1

DE3013043A1 - Brennstoffzellenbatterie in bipolarer bauweise

Info

Publication number: DE3013043A1
Application number: DE19803013043
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Chem. Dr.phil.nat. 6241 Glashütten Böhm; Robert Dipl.-Chem. Dr.rer.nat. 8752 Hösbach Fleischmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-04-03
Filing date: 1980-04-03
Publication date: 1981-10-08
Also published as: DE3013043C2

Description

Brennstoffzellenbatterie in binolarer Bauweise
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenbatterie in rechteckiger bipolarer Bauweise, mit Anode, Matrix-Elektrolyt, Kathode, glatter bipolarer Platte, wobei die Elektroden als Zweischichtelektroden aus Katalysatorschicht und Kohle- bzw. Graphitträger aufgebaut sind.
Brennstoffzellen mit saurem Elektrolyten haben eine hohe Leistungsdichte erreicht: Je nach Betreibsbedingungen 103 bis Z00dS/cS bei 0,6 bis 0,7 V unter #asserstoff/Luft.
Diese Leistungen wurden mit dem folgenden Zellaufbau erreicht. Bipolare Platte mit gerippter Struktur zur Gasversorgung der Elektroden, Anode (teflongebundener Katalysator aus Wolframkarbid oder Platin/Kohle), Matrix mit dem Elektrolyten Phosphorsäure, Kathode (teflongebundener Platin-Katalysator), bipolare Platte.
Entscheidend für den wirtschaftlichen Erfolg dieses Systems sind die Herstellungskosten. Das teuerste teil bei diesem Aufbau ist die bipolare Platte, da die gerippte Struktur nur in einem Preßvorgang mit hohen Ausschußraten hergestellt werden kann. Eine Verbesserung ist in Proceedings of the 14th Energy Conversion Engineering Conference", Seiten 539 und 540 angegeben. Danach wird eine gasundurchlässige, glatte Platte als bipolares Element eingesetzt; die Rippen für die Gasversorgung der Elektroden befinden sich auf den Elektroden. Diese Rippen müssen in einem Walzprozeß in die Elektroden eingearbeitet werden. Die Elektroden bestehen dabei aus einer elektrolytseitigen Katalysatorschicht und einer gasseitigen Trägerschicht aus porösem Graphitpapier (hergestEllt durch Verkokung C-haltiger Polymerfasern), in die die Rippen eingearbeitet werden.
Eine andere Ausführung der bipolaren Platte wird auf S. 541 beschrieben. Danach besteht die bipolare Platte aus einem Sandwich ABA wobei 8 gasundurchlässig und A porös ist. Das Bompound wird aus Kohlenstoff durch chemical vapor deposition hergestellt. Die Schichten A dienen außerdem der Elektrolytspeicherung. Die mit den Sandwichplatten ABA aufgebauten Brennstoffzellenbatterien müssen über einen Kühlkreislauf gekühlt werden.
Die Kühlung der Brennstoffzellen ist bei den hohen Leistungsdichten ein wesentlicher Gesichtspunkt.
Sie erfolgt entweder durch Kühiplatten mit Flüssigkeitkühlunq oder durch die sogenannte "Dig@skühlung". In allen Fällen werden weitere bauteile benötigt, die die Brennstoffzelle verteuern. Außerdem wird bei der Digaskühlung nur nach jeder 5. Zelle eine Kuhlplatte eingesetzt, so daß keine optimale Kühlmöglichkeit fflr die mIttleren Zellen im 5-Zellenpaket gegeben ist (vergl. adG S. 543, Fig. 3).
Eine KUhlung mit einer tiüssigkeit erfordert einen zusätzlichen Kreislauf, der den Aufbau des Aggregates komplizierter gestaltet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kostengünstlgeren Zellenaufbau zu erzielen.
Eine L#uung dafür wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche erreicht. Dabei sind die Elektroden als Zweischichtelektroden ausgebildet, d. h. die Ketalysstorschicht, die aus teflongebundenen W@lfr@mkarbid oder Platin/Kohle besteht, ist auf einem erreger aus Kohle-oder Graphitpapier aufgebracht. Zwischen Elektrode und einer dünnen, glatten bipolaren Platte wird zur Gasversorgung der Elektrode ein Kohle-oder Graphitpepier eingelegt, das eine höhere Porosität oder geringeres Flächengewicht bei gleicher Dicke besitzt als die Trägerschicht der Elektrode. Auch dieses Papier ist aus Kohlefauern hergestellt und besitzt eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit. Die rechteckige oder quadratische Fläche ist an zwei gegenUberllegenden Seiten in einem schmalen Streifen mit säurebeständigem Kunststoff z. 8. polymere fluorierte Kohlenwasserstoffe gefUllt. Dadurch wird erreicht, daß im Betrieb nur Gas aus einer Richtung entweder Wasserstoff oder Luft an die Elektrode gelangen kann. Diese beiden gegenUberllegenden Kunststoffstreifen üben also eine Dichtfunktion zwischen Elektrode, die an allen 4 Seiten mit Kunststoff versiegelt randimprägniert ist, und bipolarer Platte aus.
Diese Dichtfunktion kann auch dadurch erzielt werden, daß das Kohle-oder Graphitpapier schmaler geschnitten wird als es den äußeren Abmessungen des Br@nnstoffzell@@blockes entspricht und zwar entsprechend der jeweiligen Elektrode (Ano@@ oder Kathode) in Lngs- oder Querrichtung und daß die Dichtstreilen aur der bipolaren Platte angebracht werden.
Dis Dichtstreifen liegen je nach Elektrode (Anode oder Kathode) in waagrechter bzw. senkrechter Richtung an den gegenj#berliegenden Rändern auf den beiden Seiten der bipolaren Platte. In die Aussparung wird das schmaler geschnittene Kohle- oder Graphitpapier eingelegt, und zwar so, dras die Dicke des Kohle- oder Graphitpapiers nach verspannen des Brennstoffzellenblockes genau die Dicke der Dichtstreifen entspricht. Der Dichtstreifen auf der bipolaren Platte dichtet dann direkt auf der randimprägnierten Elektrode. Mit diesen beiden Möglich@eiten werden jeweils die Wasserstoffräume bei den Anoden und die Lufträume bei den Kathoden geschaffen. Die Gasversorgung erfolgt durch Anblasen des Blockes mit Luft in senkrechter und mit Wasserstoff in waagrec@ter Richtung. Die Porosität des Kohle- oder Graphitpapiers zwischen @ahtode und bipolarer Platte ist so gewählt, daß eine ausreichende Luftmange hinter jeder Kathode durchströmen kann und damit eine ausreichenda und gleichmäßige Kühlung des Blockes erzielt, sowie aufgrund der holmen Luftmenge die Kathode hervorragend mit Sauerstoff versorgt wird.
Eigenschaften: Trägerpapiere aus Kohle- Gasraumpapier oder Graphitfasern Anode Kathode der Elektroden Porosität: 75 -85 X 80-90 % 90 % Flächengewicht Dick von 80 - 150 g.m-² 40 - 100 g.m-² D,4 -Di. bipolare Platte, die g@@undurchlässig und gut elektrisch leitrühig rin nuß, besteht aus einer dünnen Schicht flexiblen Graphits oder aus St@h@foli@, die mit Graphit beschichtet sein kann (aus Korrosionsgrü@@@@).
Da keine erhöhte Gasmenge zur Kühlung an der Anode erforderlich ist, reicht eine geringere Porosität des Hohle- oder Graphitpapiers zwischen Anode und bipolarer Platte aus, verglichen mit dem Kathodenraum. Um eine gute Versorgung der Anode mit Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltigem Brenngas zu erreichen, wird die Porosität des Kohle- oder Graphitpapiers so gewählt, daß sie größer ist als die Porosität der Trägerschicht der Anode. Bei hoher Fremdgasbeimischung zum Wasserstoff z. B. 66 W /34 % m alE Crackgas aus Methanol kann ein poröses Kohle- oder Gr#phitpapier eingesetzt werden, das dem in den Kathodenräumen entspricht. Dadurch treten keine Diffusioneherrunungen bei der Versorgung der Anode mit Brenngas auf, was eine Reduzierung der Leistung der Brennstoffzelle zur Folge hätte.
An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausföhrungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt die Fig. 1, eine Elrennstoffzellenbatterie bei der die porösen Gasraumpapiere aus Kohle oder Graphit an zwei gegenüberliegenden Seiten durch Einbringen von Kunststoff mit gasundurchlässigen Streifen versehen werden. Die Fig. 2 stellt eine Brennstoffzellenbatterie dar, bei der zur Abdichtung von Brenngas gegen Luft und umgekehrt die bipolare Platte auf der einen Seite an zwei gegen-Uberliegenden Rändern mit streifenförmigen Erhebungen versehen ist und auf der anderen Seite an den zwei gegenüberliegenden um 900 versetzten Rändern ebenfalls mit streifenförmigen Erhebungen versehen ist und daß in die sogenannten Aussparungen auf den beiden Seiten der Platte die porösen Kohle- oder Graphitpapiere eingelegt sind.
In beiden Figuren sind mit A und mit El die Strömungsrichtungen, sie stehen zu einander senkrecht, der Betriebsgase der Brennstoffzellenbatterie angedeutet. So zeigt A die Stömungsrichtung der zugeführten Luft und L die Strömungsrichtung des zugeführten Wasserstoffs an.
Im einzelnen erkennt man an der Fig. 1 die Anode 1, den Matrix/ Elektrolyt 2, die Kathode 3 und die bipolare Platte 4. Zu beiden Seiten letzterer ist das poröse Gasraumpapier 5 und 6 in Plattenform angeordnet, das jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten durch Anbringen von Kunststoff mit gasundurchlässigen Streifen 7 und 8 versehen ist.
Bei gleicher Bezifferung gleichartiger Teile stellt die Fig. 2 eine Ausführung dar, bei der die bipolare Platte 9, sie kann aus zwei Einzelfolien bestehen,an zwei gegenüberliegenden Rändern mit 8treifenf#rmigen Erhebungen 10 u. 11 versehen ist. Wie erkennbar, ist ihre Anordnung auf der Platte um WO versetzt. In die dadurch entstehenden Aussparungen ist dann das poröse Khhle-oder Graphitpapier 12 und 13 eingelegt.
Durch den angegebenen Brennstoffzellenaufbau mit Kohle- der Graphitpapieren abgestufter Porosität zur Bildung der Gasräume wird eine kompakte Bauweise bei optimaler Gasversorgung und ausreichender kühlmöglichkeit erreicht. Der Wegfall der gerippten Bauteile ermöglicht eine kostengünstige Heratellung von Brennstoffzellenbatterien, die für den wirtschaftlichen Erfolg des Gyetans unerläßlich ist. Durch die beiden Dichtungsssysteme werden eine zuverlässige trennung von Brenngas und Luft erzielt und verluste durch "chemischen Kurtschluß" vermieden.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche t) Brennstoffzellenbatterie in rechteckiger, bipolarer Bauweise, mit Anode, Matrix-Elektrolyt, Kathode und bipolarer Platte, wobei die Elektroden als Zweischichtelektroden aus Katalysatorschicht und Kshle- bzw. Graphitträger aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daS zwischen bipalarer Platte und Anode sowie zwischen Kathode und bipolarer Platte zur Bildung der Gasräume poröses Kohle- oder Graphitpapier eingefügt wird, dessen Porosität größer ist als die Porosität der Trägerschicht der Zweischichtelektroden.
2. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die mit porösem Kohle- oder Graphitpapier gefüllten Gasräume durch Anblasen des Brennstoffzellenblockes mit Brenngas und Luft durchströmt werden, wobei die Durchströmungsrichtung beider zueinander senkrecht ist.
3. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daB zur Randabdichtung von Brenngas gegen Luft und umgekehrt die porösen Gasra4mpapiere aus Kohle oder Graphit an zwei gegenüberliegenden Seiten durch Einbringen von Kunststoff mit gasundurchlässigen Streifen versehen werden.
4. Brernstoffzellenbatterie nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daS zur Abdichtung von Brenngas gegen Luft und umgekehrt die bipolare Platte auf der einen Seite an zwei gegenüberliegenden Rändern mit streifanformigen Erhebungen versehen ist und auf der anderen Seite an den wai RegenGberliegenden, um 9DZ gedrehten Rändern ebenfalls mit streifenFrmigen Erhebungen versehen ist und daß in die so gebildeten Aussparungen aut den beiden Seiten die porösen Kohle- oder Graphitpapiere eingelegt werden, derart, daß sie im verspannten Zustand des Blockes mit den Erhebungen bündig sind.
5. Brennstoffzellenhatterie nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Platte durch übereinanderlegen von zwei Schichten gebildet wird, wobei jede Schicht an zwei gegenüberliegenden Ränderen streifenförmige Erhebungen aufweist, die beiden Schichten mit den glatten Seiten gegeneinander gelegt werden, derart, daß die Streifenpaare auf den anderen Seiten gegeneinander um 900 gedreht angeordnet sind.
6. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Platte quadratisch ist.
7. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich-.

net, daß die bipolare Platte bzw. die beiden zusammengelegten Schichten aus flexiblem Graphit oder Graphit/Kunststoffmischungen bestehen.
8. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Platte bzw. die beiden zusammengelegten Schichten aus korrosionsbeständiger Stahlfolie (Stahlblech) bestehen.
9. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Platte bzw. die beiden zusammengelegten Schichten aus mit Kohlenstoff beschichteter Metallfolie (Metallblech) bestehen.
10. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen auf der bipolaren Platte aus Kunststoff bestehen.
11. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen auf der bipolaren Platte aus Graphit oder Graphit/Kunsstoffmicchung bestehen.