DE3013043C2

DE3013043C2 - Brennstoffzellenbatterie

Info

Publication number: DE3013043C2
Application number: DE3013043A
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: 1983-03-10
Also published as: DE3013043A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenbatterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Brennstoffzellen mit saurem Elektrolyten haben eine hohe Leistungsdichte erreicht: Je nach Betriebsbedingungen 100 bis 200 mW/cm² bei 0,6 bis 0,7 V unter Wasserstoff/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 PreOvorgang 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

to eingearbeitet werden. Die Elektroden bestehen dabei aus einer elektrolytseitigen Katalysato-schicht und einer gasseitigen Trägerschicht aus porösem Graphitpapier (hergestellt durch Verkokung C-haltiger Polymerfasern), in die die Rippen eingearbeitet werden.

'5 Eine andere Ausführung der bipolaren Platte wird auf Seite 541 beschrieben. Danach besteht die bipolare Platte aus einem Sandwich ABA, wobei B gasundurchlässig und A porös ist. Das Compound 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 Kühlplatten mit Flüssigkeitskühlung oder durch die sog. »Digaskühlung«. In allen Fällen werden weitere Bauteile benötigt, die die Brennstoffzelle verteuern. Außerdem wird bei der Digaskühlung nur nach jeder 5.

Zelle eine Kühlplatte eingesetzt, so daß keine optimale Kühlmöglichkeit für die mittleren Zellen im 5-Zellenpaket gegeben ist (vgl. adO S. 543, Fig. 3). Eine Kühlung mit einer Flüssigkeit erfordert einen zusätzlichen Kreislauf, der den Aufbau des Aggregats komplizierter

is gestaltet.

Es ist auch bereits eine aus einer Anzahl von Brennstoffzellen bestehende Brennstoffzellenanlage bekannt (DE-OS 28 34 551), bei welcher Kohle- oder Graphitpapier zur Bildung von Gasräumen verwendet ist; bei dieser Anlage sind Elektrr lytspeicherschichten erforderlich, da die Zellen nach außen nicht ganz dicht werden. Ferner ist ein Brennsioffzellensystem mit lonenaustauschmembranen und bipolaren Platten bekannt (DE-OS 28 31 799), bei welchem die Betriebsgase durch die Gasräume senkrecht zueinander geführt werden; die Gasräume sind durch quer über die Oberflächen der bipolaren Platte verlaufende parallele Rillen gebildet. Der Vorteil der Einblasung der Betriebsgase senkrecht zueinander geht durch die Nachteile dieser mit Rillen versehenen bipolaren Platten wieder verloren, wie eingangs dargelegt ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kostengünstigeren Zellenaufbau zu erzielen.

Eine Lösung dafür wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche erreicht. Dabei sind die Elektroden als Zweischichteiektroden ausgebildet, d. h. die Katalysatorschicht, die aus teflongebundenem Wolframcarbid oder Platin/Kohle besteht, ist auf einem Träger aus Kohle- oder Graphitpapier aufgebracht.

Zwischen Elektrode und einer dünnen, glatten bipolaren Platte wird zur Gasversorgung der Elektrode ein Kohleoder Graphitpapier eingelegt, das eine höhere Porosität oder geringeres Flächengewicht bei gleicher Dicke besitzt als die Trägerschicht der Elektrode. Auch dieses Papier ist aus Kohlefasern hergestellt und besitzt eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit. Die rechteckige oder quadratische Fläche ist an zwei gegenüberliegenden Seiten in einem schmalen Streifen mit

säurebeständigem Kunststoff, ζ. Β. polymere fluorierte Kohlenwasserstoffe, gefüllt. Dadurch wird erreicht, daß im Betrieb nur Gas aus einer Richtung entweder Wasserstoff oder Luft an die Elektrode gelangen kann. Diese beiden gegenüberliegenden 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 Brennstoffzellenblockes entspricht, und zwar entsprechend der jeweiligen Elektrode (Anode oder Kathode) in Längs- oder Querrichtung und daß die Dichtstreifen auf der bipolaren Platte angebracht werden. Die Dichtstreifen liegen je nach Elektrode (Anode oder Kathode) in waagrechter bzw. senkrechter Richtung an den gegenüberliegenden Rändern auf den beiden Seiten der bipolsren Platte. In die Aussparung wird das schmaler geschnittene Kohle- oder Graphitpapier eingelegt, und zwar so, daß die Dicke des Kohle- oder Graphitpapiers nach Verspannen des Brennstoffzellenblockes genau der Dicke der Dichtstreifen entspricht. Der Dichtstreifen auf der bipolaren Platte dichtet dann direkt auf der randimprägnierten Elektrode. Mit diesen beiden Möglichkeiten 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 waagrechter Richtung. Die Porosität des Kohle- oder Graphitpapiers zwischen Kathode und bipolarer Platte ist so gewählt, daß eine ausreichende Luftmenge hinter jeder Kathode durchströmen kann und damit eine ausreichende und gleichmäßige Kühlung des Blockes erzielt, sowie aufgrund der hohen Luftmenge die Kathode hervorragend mit Sauerstoff versorgt wird.

Eigenschaften

Trägerpapiere
aus Kohle- oder
Graphitfasern
der Elektroden

Gasraumpapier

Anode

Kathode

Porosität 75-85% 80-90% 90%

Flächengewicht 80-150 gm~² 40-100 g · rrT²
bei einer Dicke
von 0,4 mm

Die bipolare Platte, die gasundurchlässig und gut elektrisch leitfähig sein muß, besteht aus einer dünnen Schicht flexiblen Graphits oder aus Stahlfolie, die mit Graphit beschichtet sein kann (aus Korrosionsgründen).

Da keine erhöhte Gasmenge zur Kühlung an der Anode erforderlich ist, reicht eine geringere Porosität des Kohle- 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% Hj/34% CO als Crackgas aus Methanol, kann ein poröses Kohle- oder Graphitpapier eingesetzt werden, das dem in den Kathodenräumen entspricht. Dadurch treten keine Diffusionshemmungen bei der Versorgung der Anode mit Brenngas auf, was eine Reduzierung der Leistung

ίο der Brennstoffzelle zur Folge hätte.

An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt die F i g. 1 eine Brennstoffzellenbatterie, bei der die porösen Gasraumpapiere 5, 6 aus Kohle oder Graphit

an zwei gegenüberliegenden Seiten durch Einbringen von Kunststoff mit gasundurchlässigen Streifen 7, 8 versehen werden. Die F i g. 2 stellt eine Brennstoffzellenbatterie dar, bei der zur Abdichtung von Brenngas gegen Luft und umgekehrt die bipolare Platte 9 auf der

einen Seite an zwei gegenüberliegenden Rändern mit streifenförmigen Erhebungen 10 versehen ist und auf der anderen Seite an den zwei gegenüberliegenden, um 90⁼ versetzten Rändern ebenfalls mit streKenförmigen Erhebungen 11 versehen ist und daß in die sogenannten

Aussparungen auf den beiden Seiten der Platte 9 die porösen Kohle- oder Graphitpapiere 12, 13 eingelegt sind.

In beiden Figuren sind mit A und mit B die Strömungsrichtungen, sie stehen zueinander senkrecht, der Betriebsgase der Brennstoffzellenbatterie angedeutet So zeigt A die Strömungsrichtung der zugeführten Luft und B die Strömungsrichtung des zugeführten Wasserstoffs an.
Im einzelnen erkennt man aus der F i g. 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 F i g. 2 eine Ausführung dar, bei der die bipolare Platte 9, sie kjtnn aus zwei Einzelfolien bestehen, an zwei gegenüberliegenden Rändern mit streifenförmigen

Erhebungen 10 und 11 versehen ist. Wie erkennbar, ist ihre Anordnung auf der Platte um 90" versetzt. In die dadurch entstehenden Aussparungen Ut dann das poröse Kohle- oder Graphitpapier 12 und 13 eingelegt.

Durch den angegebenen Brennstoffzellenaufbau mit

so Kohle- oder Graphitpapieren abgestufter Porosität zur Bildung der Gasräume wird eine kompakte Bauweise bei optimaler Gasversorgung und ausreichender Kuhlmöglichkeit erreicht. Der Wegfall der gerippten Bauteile ermöglicht eine kostengünstige Herstellung von Brmnstoffzellenbatterien, die für den wirtschaftlichen Erfolg des Systems unerläßlich ist. Durch die beiden Dichtungssyr.'.eme werden eine zuverlässige Trennung von Brenngas und Luft erzielt und Verluste durch »chemischen Kurzschluß« vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffzellenbaiterie in rechteckiger, bipolarer Bauweise, mit Anode, Matrix-Elektrolyt, Kathode und bipolarer Platte, wobei die Elektroden als Zweischichteiektroden aus Katalysatorschicht und Kohle- oder Graphitträger aufgebaut und zwischen bipolarer Platte und Anode bzw. Kathode zur Bildung der Gasräume poröses Kohle- oder Graphitpapier eingefügt sind, dessen Porosität größer ist als die Porosität der Trägerschicht der Zweischichteiektroden, und die mit porösem Kohleoder Graphitpapier gefüllten Gasräume durch Anblasen des Brennstoffzellenblockes mit Brenngas und Lufl. durchströmt werden, wobei die Durchströmungsrichtung beider zueinander senkrecht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Randabdichtunj» von Brenngas gegen Luft und umgekehrt die porösen Gasraumpapiere (5, 6) aus Kohle oder Graphit aa zwei gegenüberliegenden Seiten mit gasundurchlässigen Streifen (7,8) versehen sind oder daß die bipolare Platte (9) auf der einen Seite an zwei gegenüberliegenden Rändern mit streifenförmigen Erhebungen (10) versehen ist und auf der anderen Seite an den zwei gegenüberliegenden, um 90° gedrehten Rändern ebenfalls mit streifenförmigen Erhebungen (11) versehen ist und daß in die so gebildeten Aussparungen auf den beiden Seiten die porösem Kohle- oder Graphitpapiere (12, 13) eingelegt sind, derart, daß sie im verspannten Zustand &·.-. Blockes mit den Erhebungen (10, 11) bündig sind.

2. Brennstoffzellenbattene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Platte (9) durch Übereinanderlegen von zwei Schichten gebildet ist und jede Schicht an zwei gegenüberliegenden Rändern streifenförmige Erhebungen (10, II) aufweist, die beiden Schichten mit den glatten Seiten gegeneinander gelegt sind, derart, daß die Streifenpaare auf den anderen Seiten gegeneinander um 90° gedreht angeordnet sind.

3. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1 unri 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (10, II) auf der bipolaren Platte (9) aus Kunststoff bestehen.

4. Brennstoffzellenbattene nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (10, 11) auf der bipolaren Platte (9) aus Graphit oder einer Graphit/Kunststoffmischung bestehen.