DE6605727U

DE6605727U - Brennstoffzellenbatterie

Info

Publication number: DE6605727U
Application number: DE6605727U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1966-11-29
Filing date: 1966-12-17
Publication date: 1970-08-13
Also published as: GB1167388A; CH462904A; FR1547850A; US3484294A

Description

r.H. OO ι OtU" I f. Ιέ. DD

140/66 Sta/schu

Aktiengesellschaft Brown, Boverl ά Cie., Baden (Schweiz)

E=SSSS SS=SSS Brennstoffzellenbatterie

Die Erfindung betrifft eine mit gasförmigen Brennstoffen und einer wässrigen Lösung als Elektrolyt arbeitende Brennstoffzellenbatterie mit Einrichtungen zur Entfernung des Reaktionswassers und der Reaktionswärme.

Bei längerem Betrieb einer Brennstoffzellenbatterie höherer Leistung muss das entstehende Reaktionswasser sowie die gleichzeitig mit der elektrochemischen Umsetzung entstehende Reaktionswärme durch besondere Mittel abgeführt werden. Für alkalische Brennstoffzellen wurde zur Lösung dieses Problems u.a. vorgeschlagen eine mit Elektrolyt höherer Konzentration als der Zellenelektrolyt getränkte poröse Membran vorzusehen, deren eine Seite mit dem Brenngaszuführungsraum der Zelle und deren andere Seite mit einem Wasserabfuhrraura in Verbindung steht, in dem ein niedrigerer Druck als im Brenngaszufuhrungsraum herrscht. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass aus dem Elektrolyt in der Zelle dauernd das überschüssige Wasser verdampft,, d^;urch den Brenngas2u-

Ss-- j ■ -■-_-.· 4g

führongsraunl· diffundiert und sich an. ffer Stelle höherer EIe k t roly t konzentration-, al«ο in der- porösen Membran, kondensierte Durch-Regelang des Drucken im Waseerabftihr-r&unr wird erreicht, dass eine dem sich bildenden Reaktionswasser ent sprechen Ι β Menge Wasser aus der porgssrj Ssmbran verdampft und von dort »us dem Systenfc entfernt wird. Da dieses überschüssige Wasser jedoch nur einen kleinen Teil der/ Reaktionswärme mit sich führen- kan»> müJBsan bei diesem System noch zusätzliche besondere Mittel aus* Wärmeabfuhr' vorgesehen werden* PUr den praktischen Betrieb ist «s ausserdem notwendig,- die poröse Membran int Brennstoff zvtführung&- raum. In geringer Entfernung von der Anode anzubringen Ds-

durch ergibt sich ein wesentlich- gröseerer Raumbedarfs der- -■ de» Ziel- der Erreichung eines möglichst kompakten-Batterieeiifbeuä im Wege 5-teht»

I>as Ziel der- SrfinAiiig ist eine Brennst^ffsslisnfe&tireFie alt

Mitteln zur Abfuhr des BeaktionsK«5««rs: und der Reaktlons-

wärme, welche die entKhnten !«achteil* nicht aufweist und

S ^c

die einen überaus kompakten Aufbau der Batterie- gestattet*

^! Die er£±ndungsgemasse BEennstofTzwlleribatterie ist gekennzeichnet durch Zellen e£s&s eraten^T^ps und Zellen eJnes- ; · zweiten. Tjps> die afewec&selod derart aneinandergereiht

f sind* dass zwei aufeinanderfolgende Ze^en eiseit g*»ein-

I* - samen Ga*zuführangsreiat au^weiaen, -wobei dt«^ Seilen,

■

ersten. Typ? ieafei; Sa*diffu£ioneeleictrodea aufweiftenjt

- 5 - 140/66

eine} feinporige mit Elektrolyt getränkte Schicht einschliessen und die Zellen des zweiten Type je aus zwei einen Elektrolytraum einschliessenden Doppelschich.tele.ktroden bestehen« und durch einen die Zellen des zweiten Typs einschliessenden Elektrolytkreislauf mit Mitteln zur Wärmeabfuhr vom Elektrolyten und zur Regelung seiner Lösungskonzentration. Die Erfindung wird nachstehend anhand der figuren eingehend erläutert:

Die Erfahrung hat gezeigt« dass Brennstoffzellen mit zwei Gasdiffusionselektroden, die einen feinporigen mit Elektrolyt getränlten Träger als Elektrolyträum elnschliessen, gegenüber den Üblichen Brennstoffzellen, in welchen der Elektrolyt als frei bewegliche Flüssigkeit vorhanden ist,einige Vorteile aufweisen und zwar einen kleineren inneren Widerstand, eine kleinere Abmessung, sowie eine geringere Konzentrationspolarisation, die durch das schwächere Konzentrationsgefälle im Elektrolyten bedingt ist, ya bei die »ein Zellentyp der Druck in den Qaszufünrungsräumen der gleiche 1st wie der im feinporigen Träger aufgenommene Elektrolyt, erübrigt sich auch die Notwendigkeit der Einstellung eines * Druckunterschiedes zwischen den Gasräumen und dem Elektrolytraum«

Pie Zellen mit frei beweglichen üiektrolyten haben ihrerseits wieder den Vorteil, dass bei ihnen die Abfuhr der Reaktionswärme und des Reaktionswassers auf einfache Weise mittels eines Elektrolytkreislaufes erfolgen kann.

Bel der erfindungsgemässen Brennstoffzellenbatterie werden

- 4 - c 140/66

die Zellen des ersten Typs mit einem in einer porösen bran aufgenommenen Elektrolyt mit Zellen des zweiten Typs, wo der Elektrolyt frei beweglich ist* vorteilhaft kombiniert.

Die Figuren beziehen sich auf ein AusfUhrungsbeiapiel der erfindungsgemiissen Brennstoffzellenbatterie mit *e zwei Zellen des ersten bzw» des zweiten Typs,

Fig. 1 zeigt ein Schema der Anordnung der verschiedenen Zellen und der Kreisläufe der beteiligten Medien.

Die Zellen des ersten Typs 1,1* sind mit Zellen des zweiten Typs 2,2* abwechselnd derart aneinandergereiht.» dass zwei aufeinanderfolgende Zellen einen gemeinsamen Gaszuführungsraum aufweisen· So besitzen die Zellen 1 und 2 bzw· die Zellen 1* und 2¹ ie einen gemeinsamen Brenngaszuführungsraum 3 bzw. 3¹, wShrend die Zellen 2 und I¹ je einen gemeinsamen ZUftmrungsraum für das gasförmige Oxydationsmittel aufweisen. Die Zellen des ersten Typs 1, 1* bestehen ^e aus zwei Gasdiffusionselektroden 5,6, die einen mit Elektrolyt (z.B. KOH) getränkten« feinporigen Träger 7 einschllessen. Die Zellen des zweiten Typs 2,2* weisen Je zwei Doppelschient? elektroden 8,9 auf , die einen Baum 10 einschliessen, durch den ein Elektrolyt zirkuliert. Die mit Elektrolyt getränkten TrSger 7 der Zellen des ersten Typs 1,1*, sowie die feinpürieen elektrolytseiticeii Schichten der Doppelachlchtelektroden 8>9 der Zellen des zweiten Typs 2,2* bestehen vorzugsweise aus einem feinfaserigen, hydrophilen- Material,

- 5 - Uq/66

z.B. *LUS Asbestfasern.

-._..«.*.-■! /- ta Τ««·*· ·~ϊ~~ Λ Λ yg.* _öas ι

Das gasförmige Oxydationsmittel (z.B. Luft oder g Brenngas (z.B. R₂) werden« wie durch die Linien 11 und 12 angedeutet, über Sammelleitungen in die entsprechenden Gaszufünrungsräume eingespeist. Um die Ansammlung der inerten Komponenten oder Verunreinigungen der umgesetzten Gase in den Gaszufünrungsräumen zu vermeiden, wird über die Sammelleitungen 13*14 und über die Drosselstellen 27 je ein geringer Leckgasstrom aufrechterhalten. Der Elektrolytkreislauf

für die zeilen zweiten Typs eiroigt über die Leitung 14

ι und eine Einrichtung 15 zur Abscheidung des Reaktionswassers,

einen wärmetauscher 16 zur Abführung der Reaktionswärme und I

eine Pumpe 17 zur Aufrechterhaltung der Zirkulation. Zwei

benachbarte Brennstoffzellen verschiedenen Typs sind psar-

■ · weise elektrisch parallel und diese Zellenpaare ihrerseits

in Serie geschaltet.

Der Mechanismus der Abfuhr von Reaktionswasser und Reaktionswä'rme funktioniert nun auf folgende Welse:

Mach Aufnahme der Stromerzeugung sammelt sich im Elektrolyt

der Zellen des ersten Typs entsprechend der umgesetzten I

elektrochemischen Energie Reaktionswasser an und bewirkt

eine Kerabsetsung seiner Konzentration» Die Elektrolytkonzentration in den Zellen des zweiten Typs wird dagegen

6605?2

■· 6 * 140/S6

durch die Einrichtung 15 im wesentlichen konstant gehalten. Der dadurch entstehende Konzentrationsunterschied bewirkt ein Dampfdurckgefälle, so dass Wässer im Elektrolyt der

Zellen des ersten Typs verdampft, durch die ansehliessenden Gaszuführungsräume diffundiert und im Elektrolyt der Zellen des zweiten Typs wieder kondensiert. Da die Wärmeabfuhr aus der Brennstoffzellenbatterie über den zirkulierenden Elektrolyt erfolgt, entsteht zwischen den Zellen ein Temperaturgefälle* welches das Dampfdruckgefälle noch weiter erhöht und daher die Wasserabführ noch böäcLlöüaigt. Die elektrische Parallelschaltung von je atel Zellen verschiedenen Typs bewirkt, dass auch bei tiefereta Temperaturen, bei denen die Wasserabfuhr aus den Zellen des ersten Typs ungenügend wird, eine Stromlieferung der Batterie aufrechterhalten werden kann, welche dann allein von den Zellen des zweiten Typs herrührt, um zu vermeiden, dass Elektrolyt in die Oaszuführungsräume eintritt, wird in ihnen gegenüber

den Elektrolyträumen durch eine nicht eingezeichnete Regelvorrichtung ein Ueberdruck von ca. 0,2 atü aufrechterhalten.

Pig. 2 zeigt die Handzone einer Brennstoffzellenbatterie geiräss Pig- 1 im Schnitte

Die Gasdiffusionselektroden 5» 6 der Zellen des ersten Typs, sowie die gasseitigen Schichten 18, 19 der Doppelschichtelektroden der Zellen des zweiten Typs bestehen aus scheibenförmigen, porösen Sinterkörpern, deren Porenoberflächen eine katalytisch aktive Struktur aufweisen. Die Batterie

- 7 - 140/66

wird beidseitig von Deckblechen 20 begrenzt, von welchen ,Jedes Vertiefungen 21 aufweist. Über die -es mit dem Sinterkörper der anschließenden äussersten Elektrode durch Punktsehweissung verbunden ist, und auf diese Weise die fiusseren GaszuführungsrSume 22 formt. Die Sinterkörper der übrigen Elektroden sind, ebenfä&s mittels Punktschweisbung, mit Blechrahmen 23 verbunden. Die den Elektrolyt enthaltenden Tr&ger 7 der Zellen des ersten Typs und die elektrolytseitigen Schichten 24 der Zellen 4e& zweiten Typs werden durch ftsbesfesehißhten gebildet. In den GaszuführungsrSumen 3* 3¹* * und 22 und in den Eiektroly träumen 10 der Zellen des «weiten Typs sind tfetallgerttste 25 vorgesehen, welche die anschliessenden Elektroden unterstützen, bzw.. die «lektrolytfieltigen Schichten 24 der Doppelsehichteiektroden 8,9 gegen di« zugehörigen gaseeltigen Schichten 18,19 pressen. Die Metallgertlste 25 in den OasrufÜhrungsrÄiuBen 5*3* und 22 besorgen ausserdem die elektri sche Verbindung der anschl!essenden Elektroden. Da die en den Gaszuftihrungsrauin 4 grenzenden Eifctroden auf verschiedenem Potential liegen, sind zu ihrer gegenseitigen Isolation zwischen dem Metallgerüst 25 und den Elektroden poröse Kunststoffoiembranen Jk angeordnet. Die GaszufUhrungsräume sowie dis £lektrolytr£us@ werden an ihren Rändern durch ringförmige Dichtungselemente 26 abgeschlossen, die mit Lochungen 27 zur Bildung durchgehender Kanäle versehen sind, die ie zur gemeinsamen. Zu- bzw. Abfuhr des Elektro-

- ß

Iyten sowie des gasförmigen Brennet»?fs tio£ ■litteis dienen. Die 'rerbiödiwg dieser KwTi«S.€ «it «£ä OsasaführungerÄueen bzw. mit den Slektrolytrlfwen des» Zellen des zweiten Typs erfolgt Ober entsprechende Aussparungsn in den Dichtungselementen. In Pig· 2 erfolgt die Verbindung des in Schnitt dargestellten Kanals über die Aussparungen 28 mit ÖaszuführungsrätsBen der Zellen.

Öle Parallel* bzw. Serieschaltung.der Zellen erfolgt über, entsprechende.» in der Figur nicht dargestellte Anschlösse an den Deckblechen 20 bzw. den Blechrahmen 23«

Als Sinterkörper für die Elektroden werden aus Hickelpulvtfr gesinterte Scheiben mit 73 % Porosität verwendet« Die Porenoberflächen der Scheiben sind für die Wasserstoffelektrode mit 5 mg Edelmetall (75 MoIJt Pd + 25 MoIJt Pt)

und für die Sauerstoffelektrode mit 5 mg Pt pro cm ? metrischer Elektrödenöberflache imprägniert*

Bine geeignete Einrichtung zur Abscheidung des Reaktions-

wird anhand von 91g. 3 beschrieben. Sie besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 56, das durch swei As*· bestmembranen 27« 27* in 3 Kammern unterteilt ist. Die erste äussere Kammer 28 wird gemäss der mit 29 bezeichneten Linie vom heissen Elektrolyt durchströot, des das Reaitionswasser entzogen werden soll. Durch die zweits äussere Kammer $0 strömt gemüse der Linie Jl kaltes

- 9 - 140/66

ser. Die mittlere Kammer 32 ist mit einem der Gaszuführungsräume der Batterie verbunden, und weist daher gegenüber dem strömenden Elektrolyt ebenfalls einen üeberdruck von ca. 0,2 atü auf. Auf Grund des Dampfdruclcunterschiedes zwi*· sehen dem heissen Elektrolyt und dem kalten Wasser verdanpft Wasser aus der Membran 27* und kondensiert in der Membran 27 und wird ßohliesslich im Wasserkreislauf 31 abgeführt.

Um die Brennstoffzellenbatterie troeken montieren zu können, kann der mit Elektrolyt getränkte Trager jeder Zelle des ersten Typs mit der feinporigen Schicht einer Bdppeischichtelektrode einer anschliessenden Zelle des zweiten Typs durch Brücken aus feinfaserigem Material verbunden werden. Diese Brücken bestehen gemüss einer vorteilhaften Ausführung aus Asbestsegmenten 33 (Fig. 2}^ die in entsprechende Ausnehmungen in den Dichtungselementen 26 bzw. in den Blechrahmen 23 eingelegt sind. Auf Grund dieser Brücken tränken sich die Träger 7 der Zellen des ersten Typs nach Füllung des Elekfcrolytkreislaufs nach einiger Zeit ebenfalls mit Elektrolyt.

-sp^sT.

Claims

PA661840*17.1166 - 10 - 140/66 D ·ί1 c he

1. Brennstoffzellenbatterie, geeignet zum Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen mit einer wässrigen Lösung als EleKtrolyt und Einrichtungen zur Entfernung des Reaktionswassers una der Reaktionswärme, gekennzeichnet durch Zellen eines ersten Typs (1, I¹) und Zellen eines zweiten Typs (2,2*), die abwechselnd derart aneinandergereiht sind, dass zwei aufeinanderfolgende Zellen einen gemeinsamen uaszufuin-uuisoraum aufweisen, wobei die Zellen <fes erster Typs (1,1*) je zwei Gasdiffusionselektroden (5*6) aufweisen, die einen feinporigen mit Elektrolyt getränkten Träger (7) einschliessen und die Zellen des zweiten Typs (2.2*) je aus zwei einen Elektrolytraum (.10) einschiiessenden Doppelschichtelektroden (8,9) bestehen, und durch einen die Zellen des zweiten Typs (2,2*) einschiiessenden Elektrolytkreislauf mit Mitteln zur Wärmeabfuhr vom Elektrolyten (16) und zur Regelung säner Lösungskonzentration (15)·

2. Brennstoffzellenbatterie gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeiennet, dass die mit Elektrolyt getränkten Träger (7) der Zellen des ersten Typs (1,1*) uno. die feinporigen Schichten (24) der Doppelschichtelektroden (8,9) der Zellen des zweiten Typs (2,2*) beide aus Schichten eines feinfaserigen hydrophilen Materials bestehfen.

- 11 - 140/66 ß'

3. Brennstoffzellenbatterie gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zellen paarweise elektrisch parallel und diese Zelienpaare ihrerseits in Serie geschaltet sind.

k. Brennstoffzellenlratterie gemäss Anspruch 2, dadurch g?kena~ zeichnet, dass der mit Elektrolyt getränkte Träger (7) jeder Zelle des ersten Typs (1,1*) mit aer feinporigen Schient (24) einer Doppelschiohtelektrode (8,9) einer anschliessenden Zelle des zweiten Typs (2,2') durch mindestens eine Brücke (33) aus feinfaserigem Material verbunden ist.

Akt iengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE,