DE3526614A1 - Brennstoffbatterie - Google Patents

Description

BRENNSTOFFBATTERIE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffbatterie gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In der Praxis bestehen die in einer solchen Batterie verwendeten Rahmen aus einem Kunststoffmaterial und besitzen eine Dicke zwischen 0,2 und 0,5 mm. Meist sind sie gegossen.

Nach der Verbindung der Rahmen im Stapel, durch Kleben, Fusion oder Kompression, ist esjwichtig, daß die drei Verteilungsnetze für den Brennstoff, den Sauerstoffträger und den Elektrolyt dicht sind, und zwar sowohl gegeneinander als auch nach außen hin.

Wenn der Sauerstoffträger Luft ist, dann reicht es aus, die erste Bedingung für alle drei Netze und die zweite Bedingung nur für das Verteilungsnetz des Brennstoffs und des Elektrolyten zu erfüllen.

Die Oberflächen der übereinanderzustapelnden Rahmen können aber Oberflächenfehler und Parallelitätsfehler aufweisen, die ausreichen, um die Dichtheit in Frage zu stellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen und die Dichtheit in einer Brennstoffbatterie für die verschiedenen Verteilnetze auf einfache Weise herzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Brennstoffbatterie gelöst, die die Kennzeichen des Anspruchs 1 aufweist. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele mithilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch und in Perspektive eine Brennstoffbatterie gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt schematisch und in Explosionsdarstellung ein Element der Batterie aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch und in Explosionsdarstellung das Elektrolytabteil des Elements aus Fig. 2.

Fig. 4 zeigt die kathodische Seite eines bipolaren Stromkollektors, wie er in dem Element gemäß Fig. 2 verwendet wird.

Fig. 5 zeigt die anodische Seite desselben bipolaren Stromkollektors .

Fig. 6 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 4.

Fig. 7 zeigt in vergrößertem Maßstab und in Perspektive ein Detail VII aus Fig. 4.

Fig. 8 zeigt in vergrößertem Maßstab und in Perspektive ein Detail VIII aus Fig. 5.

Fig. 9 zeigt einen dritten Rahmen, der die Kathode des Elements gemäß Fig. 2 trägt.

Fig. 10 zeigt in vergrößertem Maßstab ein Detail X aus Fig.

Fig. 11 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt entlang der Linie XI-XI aus Fig. 10.

Fig. 12 zeigt den dritten Rahmen, und zwar von der Seite, die der aus der Darstellung gemäß Fig. 9 gegenüberliegt.

Fig. 13 zeigt in vergrößertem Maßstab ein Detail XIII am unteren Rand der in Fig. 12 gezeigten Seite des dritten Rahmens.

35266H

Fig. 14 zeigt diejenige Seite des vierten Rahmens, die die Anode trägt.

Fig. 15 zeigt in vergrößertem Maßstab ein Detail XV aus Fig.14.

Fig. 16 bis 20 zeigen im Schnitt Varianten für die Rippen, die in Fig. 11 sichtbar sind.

In Fig. 1 sieht man eine Batterie 1, die aus einem Stapel einzelner Elemente besteht. Die Batterie ist mit Endplatten 2 und 3 abgedeckt und besitzt Endklemmen 4 und 5, die je an einen der den Stapel abdeckenden Endkollektoren angeschlossen sind. Der Elektrolyt gelangt über öffnungen 6 in die Batterie und wird über Öffnungen 7 abgeführt. Der gasförmige Brennstoff, z.B. Wasserstoff, gelangt über Öffnungen 8 in die Batterie und wird über öffnungen 9 wieder abgezogen. Der gasförmige Sauerstoffträger (z.B. Luft) dringt in die Batterie über die Enden von Rillen 105 in die Batterie ein, die an der Oberseite der Batterie sichtbar sind, und tritt über entsprechende öffnungen auf der Unterseite der Batterie wieder aus.

Die Batterie besteht aus der Stapelung von Elementen 20, wie eines schematisch in Perspektive und in Explosionsdarstellung in Fig. 2 zu sehen ist. Das Bauteil 3 0 in dieser Figur ist seinerseits wieder in Explosionsdarstellung in Fig. 3 zu sehen.

Aus Gründen der klareren Darstellung sind die Dichtungsrippen, die Gegenstand der Erfindung sind, in den Figuren 2 und 3 nicht zu sehen, da diese Figuren nur dazu dienen, die relative Anordnung der verschiedenen Bauteile eines Elements der Batterie zu zeigen, während die nachfolgenden Figuren jeweils diese Bauteile genauer darstellen.

Das Element, das in den Figuren 2 und 3 zu sehen ist, enthält eine Kathode 31 oder erste Elektrode, die der kathodischen Seite 28 eines ersten bipolaren Stromkollektors 21 zugeordnet ist. Letzterer (siehe Fig. 4) enthält einen Rahmen 22, erster Rahmen genannt, aus Kunststoff, sowie eine zentrale leitende Zone 23

mit Rinnen. Diese Zone steht elektrisch mit der Außenseite der Kathode 31 in Kontakt. Der bipolare Kollektor 21 weist auf seiner in Fig. 2 nicht sichtbaren Seite, die aber der in Fig. gezeigten Seite identisch ist, eine zentrale leitende anodische Zone in elektrischem Kontakt mit der Außenseite der Anode eines benachbarten Elements auf. Die Kathode 31 steht mit dem gasförmigen Sauerstoffträger über die Seite in Kontakt, die dem Kollektor 21 gegenübersteht, während die andere Seite der Kathode mit dem Elektrolyten in Berührung steht.

In gleicher Weise ist eine Anode 41 oder zweite Elektrode der anodischen Seite 27 eines zweiten bipolaren Stromkollektors 24 zugeordnet. Dieser Kollektor besitzt wie der Kollektor 21 einen Kunststoffrahmen 25, zweiter Rahmen genannt, sowie eine zentrale leitende anodische Seite 26, die nicht in Fig. 2, sondern in Fig. 5 sichtbar ist und in elektrischem Kontakt mit der Anode 41 steht. Die zentrale Zone 29 des Kollektors 24, die in Fig.2 sichtbar ist, steht in elektrischem Kontakt mit der Kathode eines benachbarten Elements.

Eine Seite der Anode 41 steht in Kontakt mit dem Elektrolyten, während die andere Seite, die dem Kollektor 24 gegenüberliegt, mit dem gasförmigen Brennstoff in Berührung steht.

Die Anode 41 und die Kathode 31 können auf Kohlenstoffbasis oder aus Kunststoff hergestellt sein, beispielsweise PTFE, und je einen spezifischen Katalysator enthalten.

Beispielsweise können die Elektroden eine biegsame Struktur aufweisen, wie sie in der FR-PS 79 25 879 beschrieben ist; ihr Herstellungsverfahren ist beispielsweise in den FR-PS 79 25 877 und 79 25 878 beschrieben.

Die Figuren 4 bis 8 zeigen im einzelnen die Stromkollektoren. In Fig. 4 erkennt man die kathodische Seite 28 des bipolaren Stromkollektors 21, während Fig. 5 die anodische Seite 27 des Kollektors 24 zeigt (man könnte auch sagen, daß die Figuren 4

35266H

und 5 die kathodische und die anodische Seite eines gemeinsamen Kollektors 21 oder 24 zeigen).

Der kathodische Kollektor 21 besitzt einen Elektrolyteinlaß · 88A (in den Figuren 2 und 4), einen Elektrolytauslaß 88B und Öffnungen 89, die der Montage der Bauteile dienen. In gleicher Weise besitzt der anodische Kollektor 24 (siehe Figuren 2 und 5) entsprechende öffnungen 98A, 98B und 99. Das Bezugszeichen 108 betrifft Durchlaßöffnungen für den Brennstoff.

Die Rahmen 22 und 25 der Kollektoren 21 und 24 bestehen vorzugsweise aus demselben isolierenden Kunststoffmaterial, nämlich Polypropylen, Polyäthylen, Polyvinylchlorid, Acrylonitril-Butadien-Styrol, die Polysulfone, Polystyrol. Diese Materialien können mit einem geeigneten Material vermengt sein, beispielsweise einem inerten Material wie z.B. Talkum, um ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften zu verändern und insbesondere um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu bekommen, der dem der zentralen leitenden Zone der Kollektoren nahekommt. Beispielsweise können diese Bauteile aus mit Talkum befrachtetem Polypropylen bestehen mit beispielsweise 5 bis 90%, vorzugsweise 35 bis 45% Talkum.

Die zentrale leitende Zone dieser Kollektoren ist in vergrößertem Querschnitt in Fig. 6 sichtbar. Sie besitzt Rinnen 103, die Kanäle einer im wesentlichen senkrechten Richtung für die Zirkulation der gasförmigen Strömungen definieren. Der Abstand und die Tiefe dieser Rinnen und damit der Kanäle kann zwischen 0,2 und 5 mm liegen, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 mm.

Die zentrale leitende Zone der Stromkollektoren kann vorzugsweise ausgehend von demselben Kunststoffmaterial wie das der Rahmen gebildet werden, wobei jedoch ein leitendes Material beigemengt wird, beispielsweise ein Metallpulver, Graphitpulver, Karbonpulver, Ruß, Azetylenruß, Karbonfasern, Graphitfasern oder eine Mischung dieser verschiedenen Stoffe. Beispielsweise kann diese Zone aus Polypropylen vermengt mit Ruß bestehen,

mit 10 bis 9 0%, vorzugsweise 30 bis 50%, Ruß.

Der Rahmen und die Kollektoren können durch Thermokompression oder Druckguß hergestellt sein. Letzteres Verfahren ist besonders angebracht im Fall einer Herstellung der Stromkollektoren, da man gleichzeitig im flüssigen Zustand die einerseits die zentrale leitende Zone bildenden und andererseits die periphere isolierende Zone bildenden Materialien einbringt, so daß eine Verschweißung dieser Materialien erfolgt und eine Diskontinuität zwischen den beiden Zonen vermieden wird. Außerdem ist dieses Verfahren besonders wirtschaftlich.

Nun werden die Mittel zur Versorgung der kathodischen und anodischen Abteile mit den Fluiden erläutert.

Die Seite 28 des Kollektors 21, die in Fig. 4 sichtbar ist, muß mit Sauerstoffträger versorgt werden, beispielsweise mit Sauerstoff, während die Seite 27 des Kollektors 24, die in Fig. 5 sichtbar ist, mit Brennstoff, z.B. Wasserstoff, versorgt wird.

Wie aus der vergrößerten Perspektivdarstellung in Fig. 7 hervorgeht, ist der obere Bereich der Seite 28 des Rahmens 22 des Kollektors 21 mit Rillen oder Aushöhlungen 105 versehen, die mit der Umgebung in Verbindung stehen und die Zuführung des Sauerstoffträgers zur Seite 28 des Kollektors ermöglichen. Entsprechende Rillen sind im unteren Teil des Rahmens 22 zur Abfuhr des Sauerstoffträgers vorgesehen. So ergibt sich für den Sauerstoffträger ein praktisch geradliniger Durchlauf ohne Druckverluste aufgrund von Umlenkungen, was besonders von Bedeutung ist, wenn atmosphärische Luft als Sauerstoffträger verwendet wird, da der benötigte Durchsatz sehr groß ist.

Wie in der vergrößerten Perspektivdarstellung gemäß Fig. 8 zu sehen ist, ist auch der obere Teil der anodischen Seite 27 des Rahmens 25 des Kollektors 24 mit Rillen oder Aushöhlungen 106 versehen, über die Brennstoff von Zufuhröffnungen 108 zur anodischen Seite des Kollektors gelangt. Entsprechende Rillen

sind auch im unteren Teil des Rahmens 25 für die Abfuhr des Brennstoffs vorgesehen.

Zusätzliche Mittel zur Verteilung des Flusses sind in diesen Rillen 105 und 106 angeordnet, die aus länglichen Rippen bestehen. Diese Rippen bilden Verteilkanäle, wobei die Oberseite der Rippen in Höhe der Ebene der die Rinnen aufweisende Kollektorseite liegt, so daß dadurch der Abstand zwischen dem Grund des die Rippen tragenden Kollektors und den benachbarten Bauteilen der Batterie gewahrt wird. Die so gebildeten Kanäle verlaufen im wesentlichen senkrecht.

Daraus folgt, daß auch der Sauerstoffträger und der Brennstoff im wesentlichen geradlinig und vertikal entlang der Kollektorseite verläuft, da die durch die Rinnen begrenzten Kanäle im leitenden Teil des Kollektors ebenfalls eine im Mittel vertikale Richtung in der Figur zeigen.

Wie man aus Fig. 7 entnehmen kann, sind die Flußverteilrippen 109 länglich und definieren Verteilkanäle, die in der Figur im wesentlichen vertikal verlaufen und sich in dem den leitenden Bereich 23 des Kollektors 21 benachbarten Bereich erweitern. Der Verlauf des Sauerstoffträgers entlang der kathodischen Seite des Kollektors 21 ist praktisch geradlinig, ohne wesentliche Richtungsumkehr und ohne Hindernisse. Zwischen den Enden der Rippen 109, die in der Nähe der leitenden Zone 23 liegen, sind Abstsndssäulen 112 vorgesehen.

Die Verteilkanäle münden außerdem über die ganze waagerechte Stirnseite der leitenden Zone 23 des Kollektors, so daß man eine ausgezeichnete Verteilung des Sauerstoffträgers in Höhe der kathodischen Seite erzielt.

Fig. 8 ist zu ersehen, daß die Öffnungen für die Brennstoffzufuhr 108 eine längliche Form besitzen und daß die Rillen oder Aushöhlungen 106,durch die der Brennstoff strömt, in der Nähe der Bereiche der länglichen öffnungen münden, die der zentralen

35266U

Zone 26 des Kollektors 24 am nächsten liegen. Die Verteilrippen für den Brennstoff definieren ein Netz, das sich von den Öffnungen 108 zum leitenden Teil 26 des Kollektors auffächert. Rippen 107, die in der Nähe der Öffnungen 108 liegen, definieren Kanäle, die ihrerseits eine größere Zahl von Zwischenkanälen versorgen. Diese Zwischenkanäle werden durch Rippen 110 definiert, die länger sind und in die Nähe der Kanäle des leitenden Teils 26 des Kollektors führen, wobei ein Zwischenkanal mindestens einen Kanal 104 des leitenden Teils 26 des Kollektors 24 versorgt.

Die Verlängerung der Verteilkanäle für den Brennstoff ermöglicht die Stapelung einer Vielzahl von Elementen, wobei nur geringe Druckverluste des Gases in den allen Elementen gemeinsamen Zirkulationskanälen zu verzeichnen sind.

Die Figuren 9 bis 15 zeigen die verschiedenen Bauteile der Einheit 3 0 aus den Figuren 2 und 3.

Die Kathode 31 ist an einem dritten Rahmen 32 befestigt, der eine zentrale Öffnung 34 in Form eines Vierecks besitzt und aus einem isolierenden Kunststoff besteht. In gleicher Weise ist die Anode 41 an einem vierten Rahmen 4 2 befestigt, der eine zentrale Öffnung 40 in Form eines Vierecks besitzt und aus Kunststoff besteht. Wenn der dritte und der vierte Rahmen miteinander, mit der Kathode und der Anode verbunden werden, definieren sich zwischen sich ein Elektrolytabteil.

Die Rahmen 3 2 und 4 2 bestehen vorzugsweise aus demselben Material wie die Rahmen 22 und 25. Die Dicke des Rahmens 32 kann etwa 0,2 bis 5mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm, betragen. Die Dicke des Rahmens 42 liegt zwischen 0,1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,6 mm. Im dargestellten Beispiel sind die zentralen Öffnungen 34 und 4 0 quadratisch.

Die Figuren 9 bis 12 zeigen die Seite 72 des Rahmens 32, die gegenüber dem kathodischen Kollektor 21 liegt, und die Seite 50 dieses Ragmens, die zum Elektrolytabteil hin zeigt. Die

unteren Bereiche 3 5 und oberen Bereiche 36 des Rahmens 32 sind mit öffnungen für die Durchleitung des Brennstoffs und des Elektrolyten durch die Batterie versehen. Zirkulationsöffnungen 37 für den Brennstoff, die im vorliegenden Fall eine längliche Form besitzen, liegen in Flucht zu den oben erwähnten Öffnungen 108.

Die öffnung 38A, die der Zirkulation des Elektrolyten durch die Batterie und der Zufuhr des Elektrolyten zum Elektrolytabteil dient, fluchtet mit den öffnungen 88A und 98A. Die öffnung 38B, die der Abfuhr des Elektrolyten aus dem Elektrolytabteil und der Zirkulation in der Batterie dient, fluchtet mit den öffnungen 88B und 98B. Die öffnungen 39, die beispielsweise zum Zentrieren der Bauteile während des Zusammenbaus und/oder zur Einführung von Zugankern verwendet werden können, fluchten mit den öffnungen 89 und 99.

Aus Fig. 9 erkennt man, daß der Teil des Rahmens 32, der die zentrale Öffnung 34 begrenzt und auf dem die Kathode 31 befestigt ist, eine zurückspringende Kante 71 besitzt, so daß die Kathode 31 nicht über die Seite 72 des Rahmens 32 vorsteht.

Zur Erhöhung der Dichtheit des Brennstoffverteilungsnetzes ist erfindungsgenäß jede Öffnung 3 7 auf der Seite 72 des Rahmens von zwei Rippen umgeben, die in vergrößertem Maßstab von oben in Fig. 10 und im Schnitt in Fig. 11 zu sehen sind. Es handelt sich um zwei zueinander parallele Rippen 73 und 74, die beim Gießen des Rahmens 32 hergestellt sind und somit aus einem Material bestehen, das sich durch Komprimierung verformen läßt. Diese Rippen stehen über die Seite 72 vor und sind ihrerseits von drei parallelen Nuten 75, 76, 77 umgeben, die dazu dienen, das überflüssige Material der Rippen beim Zusammenbau der Rahmen 3 2 und 22 aufzunehmen. So können beispielsweise die Rippen um 50 μτη vorstehen. Das Profil von Fig. 11 ist nur ein Beispiel. Zur klareren Darstellung der Rippen wurden diese teilweise in Fig. 10 schwarz ausgemalt.

35266η"

Im übrigen sind auch die Öffnungen 38A und 38B auf der Seite 72 des Rahmens 32 mit Rippen 83 und 84 und peripheren Nuten 85, 86, 87 in gleicher Weise versehen wie die Rippen und Nuten, die den Öffnungen 37 zugeordnet sind (siehe Fig. 10, die die Öffnung 38B in vergrößertem Maßstab zeigt).

Die Figuren 12 und 13 zeigen die Seite 50 des Rahmens 32, die mit der ebenen Seite 65 des Rahmens 42 in Berührung kommen soll und mit dieser Seite ein Elektrolytabteil bildet (siehe Fig.3).

Im Sinne einer guten Verteilung des Brennstoffs weisen alle Öffnungen 37, die auf die Seite 50 münden, gleiche periphere Rippen auf wie die auf der Seite 72 des Rahmens 32.

Das Elektrolytverteilungsnetz weist Mittel auf, um die Weiterleitung des Elektrolyten von der öffnung 38A zur zentralen Öffnung 34 und von dort zur öffnung 38B zu ermöglichen. Diese Mittel bestehen aus Rillen 51 (siehe Fig. 13), die in die Hohlräume münden, welche Verteil- und Sammelkammern für den Elektrolyten 52 bilden und am unteren und oberen Bereich 35 bzw 36 des Rahmens 3 2 entlang zweier gegenüberliegender Ränder der zentralen Öffnung 34 liegen und mit dem Elektrolytabteil über eine Vielzahl paralleler Mikrokanäle in Verbindung stehen, die durch Rippen 54 begrenzt werden. Die erhabenen Bereiche der Rippen 54 liegen in Höhe der Seite 50 des Rahmens 32.

Die Rillen 51 bilden vorzugsweise eine längliche Strecke geringen Querschnitts. Es ist in der Tat wichtig, bei gleichzeitiger Verengung des Querschnitts die Strecke für den Elektrolyten zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen und dem Elektrolytabteil in dem Fall zu verlängern, in dem der Elektrolyt parallel den Elementen zugeführt wird, um einen hohen Ableitwiderstand zwischen den Elementen zu erzeugen und soweit wie möglich die entsprechenden Energieverluste zu verringern. Im übrigen ergibt sich durch diese Kanäle mit engem Querschnitt und großer Länge sowie dem damit verbundenen definierten und großen Druckverlust bezüglich des Druckverlusts in den Abteilen

eine gleichmäßige Verteilung der Elektrolytströmung auf die verschiedenen Elemente der Batterie. Im dargestellten Beispiel besitzen die Pillen 51 einen U-förmigen Verlauf, wobei der mittlere Bereich des U bezüglich der Öffnungen 38A und 38B jenseits der zentralen öffnung 34 liegt, die das Elektrolytabteil begrenzt. Beispielsweise kann die Länge jedes Zweigs des U gleich der Höhe des Elektrolytabteils sein, während die Breite der Rillen 51 zwischen 0,5 und 10 mm gewählt werden kann.

Der Boden der Rillen 51 und Verteil- und Sammelkammern für den Elektrolyten 52 ist mit Mitteln wie Stützsäulen oder Rippen versehen, die bis in die Höhe der Seite 50 des Rahmens 3 2 hochstehen und insbesondere dazu bestimmt sind, einen Abstand zwischen dem Rahmen 42 und diesem Grund der Rillen einzuhalten sowie den Durchfluß an Fluiden zu regularisieren. So ist eine Rippe 56 in der Rille 51 über deren ganze Länge angeordnet. Die Kammern 52 enthalten eine Vielzahl von Rippen 57, die parallel zueinander verlaufen und die Elektrolytströmung nicht beeinträchtigen. Die erhabenen Bereiche der Rippen 56 und 57 liegen in Höhe der Seite 50 des Rahmens 32.

Um die Dichtheit zu gewährleisten, wird das auf der Seite 50 vorhandene Zirkulationsnetz vollständig von Rippen und Nuten entsprechend denen bei den öffnungen 37 umgeben (gleiche Dicke, gleiche Intervalle).

So umschließen parallele Rippen 13 und 14 und Nuten 15, 16, 17 die Eingangsöffnung 38A für den Elektrolyten, folgen dem äußeren Umriß des Eingangs-U, dem benachbarten seitlichen Rand und einem unteren Rand des Elektrolytabteils, dem äußeren Umriß des Ausgangs-U für den Elektrolyten, dem anderen seitlichen Rand, dem oberen Rand des Elektrolytabteils, dem inneren Umriß des Eingangs-U bis zur Eingangsöffnung 38A.

Auf diese Weise ergibt sich eine Dichtheit des Elektrolytverteilungsnetzes gegenüber den anderen Fluiden und ebenfalls zwischen den verschiedenen Bereichen dieses Verteilungsnetzes.

So kann der Elektrolyt nicht von einem Zweig eines U zum benachbarten Zweig oder direkt von der Öffnung 38A zum zentralen Elektrolytabteil übertreten.

Es wurde bereits erwähnt, daß die Seite 65 des Rahmens 42, die das Elektrolytabteil abschließt, eben ist und im dargestellten Beispiel keine Rippen auf ihrer Oberseite aufweist. Die Seite 65 wurde nicht dargestellt; dagegen ist die gegenüberliegende Seite 66 in den Figuren 14 und 15 zu sehen. Sie tritt mit der in Fig. 5 sichtbaren Seite 27 des Kollektors 24 in Kontakt, um das anodische Abteil zu definieren.

Die öffnungen 67, die für die Brennstoffzirkulation vorgesehen sind, die öffnungen 68A und 68B, die den Elektrolyteinlaß und -auslaß bilden und die öffnungen 69 entsprechen den Öffnungen 39, 89 und 99.

Der Teil des Rahmens 42, der die zentrale Öffnung 40 begrenzt und auf dem die Anode 41 aufsitzt, weist einen rückspringenden Rand 70 auf, so daß die Anode über die Seite 66 des Rahmens 42 nicht vorsteht.

Die Dichtheit des Elektrolytverteilnetzes wird erfindungsgemäß um die öffnungen 68A und 68B herum durch Rippen 93 und 94 gleich denen, die die öffnungen 38A und 38B umgeben, bewirkt (siehe Fig. 15). Entsprechende Nuten, 95, 96 und 9 7 sind diesen Rippen 93 und 94 zugeordnet.

Die Dichtheit in Höhe des Brennstoffabteils wird durch zwei polygonale parallele Rippen 43, 44 und ihre zugeordneten Nuten 45, 46 und 47 sichergestellt, die das zentrale Abteil 4 0 und die Gesamtheit der öffnungen 67 umgeben.

Zusammenfassend werden nochmals die verschiedenen im vorliegenden Beispiel erwähnten Rippen aufgezählt :

- Für das Elektrolytverteilungsnetz :

In Höhe des Zufuhrkanals für den Elektrolyten in die Batterie sind Rippen um die Öffnung 3 8A auf den Seiten 72 und 50 des dritten Rahmens 3 2 und um die Öffnung 68A auf der Seite 66 des vierten Rahmens 4 2 vorgesehen. Gleiches gilt auch für den Elektrolytableitungskanal und die Öffnungen 38B und 68B. Schließlich ist das Elektrolytabteil zwischen den Kanälen vollständig von einer Rippe umgeben, die auf der Seite 50 des dritten Rahmens 3 2 liegt.

- Für das Brennstoffverteilungsnetz :

Rippen sind auf den Seiten 72 und 50 des dritten Rahmens 32 um die öffnungen 37 für die Brennstoffzirkulation vorgesehen, sowie pplygonale Rippen im anodischen Abteil auf der Seite 66 des vierten Rahmens.

Wenn die vier Rahmen fest aufeinandergestapelt sind, hat man drei doppelte Rippen übereinander um die Elektrolytzirkulationsrohre und zwei doppelte Rippen in Kombination mit einer doppelten polygonalen Rippe für die BrennstoffZirkulationsöffnungen.

Im beschriebenen Beispiel wurde das Dichtungsproblem durch die Verwendung von drei übereinanderliegenden Rippen gelöst, wobei die Summe der Höhen dieser Rippen den Gesamtfehler in der Parallelität der vier übereinandergestapelten Rahmen kompensieren. Gemäß einer Variante könnte man auch andere Typen von Elementarsequenzen für die Stapelung oder mehr oder weniger übereinanderliegende Rippen vorsehen, wobei ihre Dicke stets abhängig vom Parallelitätsfehler bestimmt wird, der zu korrigieren ist. Es wurden hier Doppelrippen vorgeschlagen, aber auch eine einfache Rippe in Verbindung mit einer dazu parallelen einfachen Nut kann in Betracht gezogen werden.

Das Profil der Rippen kann abhängig von der Art der Stapelung (Verschweißen oder z.B. Verkleben) optimisiert werden. Man kann beispielsweise wellenförmige Profile 216 bis 220 vorsehen, wie sie in den Figuren 16 bis 20 dargestellt sind.

Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE

1. Brennstoffbatterie, bestehend aus mehreren gestapelten gleichartigen Elementen, die miteinander in elektrischem Kontakt stehen und gemäß einer bestimmten Elementarsequenz miteinander verbunden sind, wobei die Batterie für alle diese Elemente gemeinsam drei Verteilungskreise umfaßt, nämlich

- einen Verteilungskreis für Elektrolyten aus einem äußeren ^ Reservoir mit insbesondere einem gemeinsamen Zuleitungs- und

einem gemeinsamen Ableitungskanal,

- einen Verteilungskreis für Brennstoff aus einem äußeren Reservoir mit insbesondere mindestens einer Brennstoffzuleitung und einer Ableitung nach außen für nicht verbrauchten Brennstoff und für Inertgase,

- einen Verteilkreis für Sauerstoffträger mit insbesondere zahlreichen Einlaß- und Auslaßöffnungen für den Sauerstoffträger am unteren und oberen Rand der Batterie, wobei jedes Element enthält :

- eine erste und eine zweite poröse Elektrode einer vorzugsweise ebenen Form und mit parallelen Seiten, nämlich eine Kathode und eine Anode mit je einem spezifischen Katalysator,

- einen Elektrolyten, der den Zwischenraum zwischen diesen Elektroden füllt,

- einen ersten und einen zweiten bipolaren und impermeablen Stromkollektor mit einem ersten bzw. zweiten Rahmen aus Kunststoff material , der eine zentrale leitende Zone umgibt und auf jeder seiner Seiten Rillen trägt, wobei der erste Kollektor mit

35266U

den erhabenen Bereichen seiner kathodischen Seite in elektrischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Kathode und mit seiner anodischen Seite in elektrischen Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Anode des benachbarten Elements gelangt, während der zweite Kollektor mit seinen erhabenen Bereichen der anodischen Seite in elektrischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Anode und über seine kathodische Seite in elektrischen Kontakt mit der Kathode des anderen benachbarten Elements gelangt, wobei der gasförmige Sauerstoffträger zwischen der Kathode und der kathodischen Seite des ersten Kollektors zirkuliert, während der gasförmige Brennstoff zwischen der Anode und der anodischen Seite des zweiten Kollektors zirkuliert, wobei der erste und der zweite Rahmen mit öffnungen für die Zirkulation des Elektrolyten und des Brennstoffs durch die Batterie versehen sind, die durch ihre Stapelung zur Bildung gemeinsamer Zuleitungs- und Ableitungskanäle beitragen, wobei die erste Elektrode an einem dritten Rahmen befestigt ist, der eine zentrale Öffnung in Form eines Vierecks besitzt und aus Kunststoff besteht und wobei die unteren und oberen Bereiche dieses dritten Rahmens öffnungen für den Durchlaß des Brennstoffs und des Elektrolyten durch die Batterie entsprechend den öffnungen besitzen, die sich in den Rahmen der Kollektoren befinden, wobei Mittel auf einer Seite des dritten Rahmens vorgesehen sind, die die Beförderung des Elektrolyten vom Zuleitung skanal zu einem Elektrolytabteil ermöglichen, das zwischen den beiden Elektroden liegt, und von diesem Abteil weiter zum Auslaßkanal, wobei diese Mittel Rinnen aufweisen, die in Hohlräume münden, welche den Elektrolyten verteilen und wieder sammeln und im unteren und oberen Bereich des dritten Rahmens entlang der beiden einander gegenüberliegenden Kanten der zentralen öffnung angeordnet sind und mit dem Elektrolytabteil über eine Vielzahl von durch Rippen begrenzte parallele Mikrokanäle in Verbindung stehen,

wogegen die zweite Elektrode an einer Seite eines vierten Rahmens gegenüber dem zweiten Stromkollektor befestigt ist, wobei der vierte Rahmen aus Kunststoff besteht und eine gleiche Kontur wie der dritte Rahmen besitzt, an dem die erste Elektrode anliegt, und wobei der Rahmen weiter öffnungen für den Durchlaß des Brenn-

Stoffs und des Elektrolyten entsprechend den Öffnungen besitzt, die auf dem dritten Rahmen vorhanden sind, und woböi die zweite Elektrode mit einer ebenen Seite auf die die Rillen und die Verteil- und Sammelkammern für den Elektrolyten aufweisende Seite des dritten Rahmens aufgedrückt ist, wobei durch das Aufeinanderstapeln der Rahmen gemäß einer vorgegebenen elementaren Sequenz ein zyklisch wiederkehrender Stapel dieser Elemente entsteht, durch den das Brennstoffverteilungsnetz, das Sauerstoffträgerverteilungsnetz und das Elektrolytverteilungsnetz gebildet werden, dadurch g e k e η η *- zeichnet, daß zumindest das Brennstoffverteilungsnetz und das Elektrolytverteilungsnetz auf ihrem ganzen Umfang mindestens auf einer Seite eines der Rahmen (21, 32, 42, 24), die die Elementarsequenz bilden, mindestens eine Rippe aus einem Material aufweisen, das sich unter Druck verformen kann und bezüglich dieser Seite eine überdicke aufweist, deren Höhe so gewählt ist, daß Oberflächenfehler und Parallelitätsfehler der Gesamtheit der Rahmen der Sequenz kompensiert werden, wobei neben dieser Rippe und parallel zu ihr eine Nut Vorgesehen ist, um das überschüssige Material dieser Rippe während des Zusammenbaus aufzunehmen.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rippen (73, 73; 83, 84; 13, 14; 93, 94) mit ihren Nuten (75, 76, 77; 85, 86, 87; 15, 16, 17; 95, 96, 97) um die genannten Netze herum vorgesehen sind.

3. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe und die zugehörige Nut sich auf derselben Seite eines Rahmens befinden.

4. Brennstoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Elektrolytverteilungsnetz die Rippe zwischen dem dritten und vierten Rahmen (32, 42) angeordnet ist und die Einlaßöffnung für den Elektrolyten (32A), die Verteil- und Sammelkammern, das Elektrolytabteil und den Elektrolytauslaß umgibt.

5. Brennstoffbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe auf der Seite (50) des dritten Rahmens (32) angeordnet ist, die die Rillen (51) und die das Elektrolytverteilungsnetz definierenden Hohlräume trägt.

6. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Rippen um die Elektrolyt-Einlaß- und Auslaßöffnungen auf mindestens einer der Seiten des ersten (22) und/oder des zweiten (25) und/oder des vierten Rahmens (42) und/oder auf der anderen Seite des dritten Rahmens (32) vorgesehen sind.

7. Brennstoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Verteilungsnetz des gasförmigen Brennstoffs eine Rippe das ganze Gasabteil umgibt, das sich zwischen dem zweiten Kollektor (24) und der zweiten Elektrode

sich

(41) befindet, und daß/Tnindestens eine Rippe um jeden Brennstoffeinlaß- und -auslaßkanal befindet, wobei dieser Kanal durch die Überlagerungen der entsprechenden öffnungen in den Rahmen gebildet wird.

8. Brennstoffbatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe, die das ganze Brennstoffverteilungsnetz umgibt, auf der Seite des vierten Rahmens (4 2) gegenüber dem zweiten Rahmen (25) angeordnet ist.

9. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die um jeden Brennstoffeinlaß- und -auslaßkanal vorgesehenen Rippen auf mindestens einer der Seiten des ersten Rahmens (22) und/oder des dritten Rahmens (32) und/oder des vierten Rahmens (42) vorgesehen sind.

10. Brennstoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Rahmen aus den isolierenden Kunststoffmaterialien ausgewählt ist, zu denen Polypropylen, Polyäthylen, Polyvinylchlorid, Acrylonitril-Butadien-Styrol, die Polysulfone und Polystyrol gehören.

_ 5 —

11. Brennstoffbatterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe aus demselben Material wie die Rahmen besteht und sich beim Gießen des Rahmens ergibt.

12. Brennstoffbatterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe auf den entsprechenden Rahmen aufgebracht ist und daß das Material der Rippe aus der Gruppe ausgewählt ist, die Naturkautschuk, synthetischen Kautschuk und wärmeschmelzende Kleber enthält. /