EA017184B1

EA017184B1 - Контактное устройство и способ монтажа батареи топливных элементов по меньшей мере из одного контактного устройства

Info

Publication number: EA017184B1
Application number: EA200970902A
Authority: EA
Inventors: Андреас Райнерт
Original assignee: Штаксера Гмбх
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2012-10-30
Also published as: AU2008234276A1; KR101180844B1; US8383282B2; ATE546848T1; EP2132814A2; WO2008119310A2; JP5340259B2; JP2010522967A; US20100104914A1; EP2132814B1; BRPI0809976A2; CA2684377A1; EA200970902A1; KR20090121397A; AU2008234276B2; WO2008119310A3

Abstract

Изобретение относится к контактному устройству для батареи топливных элементов, в частности для батареи твердооксидных топливных элементов, с соединительным устройством (10), которое для создания электропроводящего соединения посредством по меньшей мере одного расположенного на стороне анода и по меньшей одного расположенного на стороне катода контактного элемента (28, 32) расположено между анодом (12) первой мембранно-электродной сборки (52) и катодом (16) второй мембранно-электродной сборки (52). Согласно изобретению предусмотрено, что лишь на одной стороне соединительного устройства (10) - на обращенной к аноду (12) или обращенной к катоду (16) стороне соединительного устройства (10) - предусмотрен по меньшей мере один спекающийся компонент, который соединен с первой или со второй мембранно-электродной сборкой (52) таким образом, что электропроводящее соединение создано посредством контактного элемента (28, 32) на стороне анода или на стороне катода путем спекания спекающегося компонента (20). Кроме того, изобретение относится к способу монтажа батареи топливных элементов по меньшей мере из одного такого контактного устройства. Далее изобретение относится к батарее топливных элементов, в частности твердооксидных топливных элементов (SOFC) с таким контактным устройством, при этом батарея топливных элементов смонтирована предпочтительно в соответствии с таким способом.

Description

Изобретение относится к контактному устройству для батареи топливных элементов, в частности для батареи твердооксидных топливных элементов (8ОЕС), с соединительным устройством, которое для создания электропроводящего соединения посредством по меньшей мере одного расположенного на стороне анода и по меньшей одного расположенного на стороне катода контактного элемента расположено между анодом первой мембранно-электродной сборки и катодом второй мембранно-электродной сборки.

Кроме того, изобретение относится к способу монтажа батареи топливных элементов, в частности батареи твердооксидных топливных элементов, по меньшей мере из одного контактного устройства, которое включает в себя соединительное устройство, которое для создания электропроводящего соединения посредством по меньшей мере одного расположенного со стороны анода и по меньшей мере одного расположенного со стороны катода контактного элемента расположено между анодом первой мембранно-электродной сборки и катодом второй мембранно-электродной сборки.

Далее, изобретение относится к батарее топливных элементов, в частности батарее твердооксидных топливных элементов.

Обычно несколько отдельных топливных элементов или мембранно-электродных сборок для создания высокой электрической мощности соединяют в так называемую батарею топливных элементов, которая может использоваться как отдельный топливный элемент. При этом смежные топливные элементы батареи топливных элементов посредством соответственно связывающих их соединительных устройств электрически, а также механически соединены между собой. За счет этого соединения отдельных топливных элементов посредством соединительных устройств возникают, таким образом, уложенные в батарею один поверх другого, электрически последовательно соединенные топливные элементы, которые вместе образуют батарею топливных элементов. Обычно соединительные устройства согласно уровню техники выполнены в виде газораспределительных структур, через которые рабочие газы подаются на соответствующую мембранно-электродную сборку. Эти газораспределительные структуры могут быть выполнены, например, частично корпусным элементом соединительного устройства. С этой целью на корпусном элементе соединительного устройства предусмотрены обычно продолжающиеся в виде каналов углубления, или выпуклости, или перемычки, которые образуют один участок стенки каналов. Тогда другой участок стенки каналов в собранном положении соединительного устройства в батарее топливных элементов частично образован, например, мембранно-электродной сборкой, в частности анодом или катодом смежной мембранно-электродной сборки, так что появляется созданный из двух участков стенки каналов газовый канал снизу и сверху корпусного элемента. Такие газораспределительные структуры батареи топливного элемента часто называют также коллекторами. Посредством этих коллекторов осуществляется распределение рабочих газов для каждой мембранно-электродной сборки в соответствующих электродных пространствах.

Как правило, батареи топливных элементов изготавливают преимущественно из ферритовых материалов. Эти ферритовые материалы при высоких температурах обладают низкой механической устойчивостью, которая может проявляться в деформациях текучести или ползучести. Это случается, в частности, тогда, когда полость образована структурой, полученной штамповкой тонкостенной жести, как это имеет место в вышеназванных газораспределительных структурах с газовыми каналами. Чтобы избежать таких деформаций, часто в соответствующей полости используют распорные элементы, которые предусмотрены между корпусными элементами соединительного устройства и мембранно-электродной сборки и таким образом способствуют устойчивости батареи топливных элементов. Уже известные конструкции соединительных устройств предусмотрены с рамами, которые продолжаются также вокруг батареи топливных элементов в ее краевой зоне, в частности через кольцевую структуру в зоне коллекторов, которые, по меньшей мере, частично получены непосредственно из жести корпусного элемента соединительного устройства. В таком случае в сжатой батарее топливных элементов силовой поток направляется преимущественно через эти зоны, т. е., например, через кольцевую структуру в краевой зоне. Однако такой силовой поток или передача энергии, который происходит большей частью через раму в краевой зоне и в меньшей степени через центральную зону коллекторов батареи топливных элементов, ведет к многим существенным недостаткам. Так силовой поток протекает, например, через также предусмотренный в краевой зоне батареи топливных элементов уплотнительный материал, который расположен соответственно между отдельными топливными элементами или мембранно-электродными сборками и соединительными устройствами и выполнен в большинстве случаев из стеклокерамики. Но стеклокерамика подвержена ползучести или текучести, в частности при высоких температурах, которые возникают при работе батареи топливных элементов. Поэтому уплотнения на краевой зоне батареи топливных элементов и находящаяся дальше внутри контактная поверхность, в частности контактные элементы, батареи топливных элементов (активная поверхность) постоянно находятся через соединительное устройство в конкуренции с находящимися на краю уплотнениями. В частности, при монтаже батареи топливных элементов в связи с применением стеклокерамических уплотнений могут проявляться недостатки, которые более детально пояснены в дальнейшем со ссылкой на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показано схематическое изображение в разрезе относящейся к уровню техники батареи топливных элементов до осуществления процесса монтажа, в частности перед процессом спекания. На фиг. 2 представлено, в свою очередь, схематическое изображение в разрезе батареи топливных элементов по фиг. 1 после осуществления процес

- 1 017184 са монтажа, в частности после процесса спекания.

Спекание представляет собой, в общем, первичную стадию формообразования метода изготовления. Обычно при спекании, в частности, порошковые массы формуют вначале таким образом, что получается, по меньшей мере, минимальная связь частиц порошка или зерен порошка. Полученную в результате предварительного прессования так называемую сырую заготовку затем уплотняют и упрочняют путем термической обработки ниже температуры плавления. При этом изготовление первичной заготовки может осуществляться путем прессования порошковых масс или путем формования с последующей сушкой. При этом процесс спекания протекает, как правило, в три стадии, во время которых пористость и объем первичной заготовки значительно уменьшаются. На первой стадии происходит лишь уплотнение первичной заготовки, на второй же стадии значительно уменьшается открытая пористость. Прочность спеченного тела основана на полученных на третьей стадии шейках спеченного материала, которые образуются в результате поверхностной диффузии между частицами порошка.

Однако, в случае, например, стыкуемых стекломатериалов или спекающихся стеклокерамических материалов, прессованные заготовки или предварительно прессованные неспеченные заготовки, как правило, не используют. Преимущественно речь идет в этом случае об изготовленных пленочным литьем (Наре сакйпд) пленках или пригодных для трафаретной печати или для дозирования паст. Они содержат связующее, так что вначале перед спеканием осуществляется извлечение связующего. После его извлечения получают, в частности в случае керамических деталей или стеклокерамики, так называемую белую заготовку. Они очень пористые и имеют минимальную прочность. После удаления связующего белые заготовки уплотняют спеканием, так что белые заготовки после процесса спекания получают свою соответствующую прочность.

Показанная частично на фиг. 1 и 2 батарея топливных элементов, в частности батарея твердооксидных топливных элементов, содержит биполярную пластину или соединительное устройство 10', мембранно-электродную сборку (МЭС) 52', а также анодный и катодный контактные элементы 28', 30'. Кроме того, предусмотрены спекающиеся монтажные элементы из стекла в форме стеклянных уплотнительных элементов 20' соответственно на верхней и нижней стороне МЭС 52', показанных на фиг. 1 и 2.

Таким образом, согласно уровню техники предусмотрено, что стеклокерамические уплотнения 20' расположены на обеих сторонах МЭС 52'. В связи с учитываемой при спекании усадкой стеклокерамических уплотнений 20', в так называемом белом состоянии оказываются промежутки между электродами (анодом 12' или катодом 16') МЭС 52' и контактными элементами 28', 30', т.е. в показанном на фиг. 1 положении еще не создано электропроводящее соединение посредством соответствующих соединительных устройств, так как контактные элементы 28' и 30' еще не находятся в соприкосновении с соответствующими электродами 12', 16' МЭС 52'. Только после монтажа или после осуществления процесса спекания изготовляют электропроводящие соединения посредством соответствующих контактных элементов 28', 30' соответствующего соединительного устройства 10', в частности за счет усадки стеклокерамических уплотнений 20' в результате спекания, а также вязкого течения. Это происходит при постоянной механической нагрузке батареи топливных элементов или сжатия батареи топливных элементов, так как в противном случае может произойти боковая усадка стеклокерамических уплотнений 20', что может привести к неплотностям. Создание электропроводящего соединения посредством соответствующего соединительного устройства 10' может быть реализовано лишь после усадки стеклокерамических уплотнений 20' в результате спекания и вязкой текучести при высоких температурах. Однако монтажные температуры слишком низки, чтобы осуществить спекание контактных элементов 28', 30'. Следовательно, электрическое соединение соединительного устройства 10' с МЭС 52' создается, как правило, только путем жесткой кинематической связи. При этом контактные поверхности контактных элементов 28', 30' согласуются лишь ограниченно с соединительным устройством 10'. Таким образом, между контактными элементами 28', 30' и МЭС 52' не существует ни геометрического замыкания, ни адгезивного соединения. Кроме того, конструкция частично показанной на фиг. 1 и 2 батареи топливных элементов 52' представляется исключительно трудоемкой, так как на обеих сторонах МЭС 52' предусмотрена выполненная стеклокерамическими уплотнениями 20' стеклянная рама, чтобы обеспечить герметичность для газораспределительных структур внутри соединительного устройства. Далее, обусловленные конструкцией неодинаковые механические сопротивления стеклокерамических уплотнений 20' и контактных поверхностей или контактных элементов 28, 30' на обеих сторонах МЭС 52' приводят к изгибающим моментам в МЭС 52'. Они могут привести к разрушению МЭС 52', которая обычно в высшей степени хрупкая. Это может случиться, например, если выполненный как контактный элемент со стороны анода пеноникель 28' выполнен более мягким, чем стеклокерамические уплотнения 20' и чем расположенные напротив пеноникеля 28' контактные элементы 30' или контактные перемычки 30' на стороне катода. Контактные перемычки 30' вдавливаются на краю МЭС 52' в пеноникель 28'. Это может привести к разрушению МЭС.

Таким образом, задача изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать контактные устройства и способ монтажа батарей топливных элементов, о которых идет речь, таким образом, что могут быть преодолены, по меньшей мере, частично вышеназванные недостатки и, в частности, снижена опасность разрушения мембранно-электродных сборок в батареях топливных элементов.

Эта задача решается за счет признаков независимых пунктов формулы изобретения.

- 2 017184

Преимущественные варианты осуществления и дополнительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.

Контактное устройство согласно изобретению основано на соответствующем уровне техники в том, что лишь на одной стороне соединительного устройства, на обращенной к аноду или обращенной к катоду стороне соединительного устройства, предусмотрен по меньшей мере один спекающийся компонент, который соединен с первой или со второй мембранно-электродной сборкой таким образом, что электропроводящее соединение создано посредством контактного элемента на стороне анода или на стороне катода путем спекания спекающегося компонента. При этом конструкция батареи топливных элементов значительно упрощается, так как на электродной стороне МЭС или соединительного устройства, в частности на стороне анода для уплотнения анодного пространства, как спекающийся компонент предусмотрено и спекаются, например, лишь одно стеклокерамическое уплотнение или лишь одна рама стеклокерамического уплотнения, так что за счет усадки и вязкого течения стеклокерамического уплотнения соответствующий контактный элемент создает электропроводящее соединение между соответствующей МЭС и соединительным устройством. Следовательно, спекание за счет оседания в процессе усадки и вязкого течения стеклокерамического уплотнения создает основу для образования контакта соответствующего контактного элемента, в частности анодного контактного элемента с анодом соответствующей МЭС. Геометрическое соединение создается, например, в том случае, если пеноникель, например, как анодный контактный элемент мягок и подвержен деформации. Далее, при соответствующих материалах, например анодного контактного элемента и анода, может иметь место также адгезивное соединение; адгезивное соединение может состояться, например, в случае пеноникеля как анодного контактного элемента и никелевого анода соответствующей МЭС, которые соединяются в результате процесса диффузии. В этой конструкции батареи топливных элементов электропроводящее соединение на стороне катода изготавливают преимущественно посредством соответствующего катодного контактного элемента уже при комнатной температуре, при этом соединительное устройство соединяется с соответствующей МЭС исключительно посредством этого катодного контакта, который вместе с механическим соединением создает также электропроводящее соединение. В случае присутствия нескольких таких контактных элементов на стороне катода становится возможным равномерное механическое прижимное усилие на МЭС по всей поверхности МЭС, в частности катодной стороны. В частности, соединительное устройство соединяется посредством контактных элементов на стороне катода с катодом МЭС исключительно в активной зоне батареи топливных элементов, т. е., по меньшей мере, в зоне, в которой выполнена электрически контактирующая поверхность между соединительным устройством и МЭС. Для такой конструкции батареи топливных элементов преимущественно могут быть использованы соединительные устройства или биполярные пластины, которые выполнены в форме кассетной конструкции из листа или так называемой однопластинчатой конструкции, которая достигается путем изготовления профиля, близкого к заданному (иеаг-ие1-8Йаре). В случае вышеназванных стыкуемых элементов речь идет, в частности, о так называемых внутренних соединениях или соединениях МЭС. Разумеется, в батарее топливных элементов предусмотрены другие стыковочные места, например уплотнения коллекторов, расчет и исполнение которых необходимо согласовать с соединением МЭС. За счет контактного устройства согласно изобретению создается конструкция батареи топливных элементов, в которой катодные контактные элементы могут быть выполнены посредством немедленного, создаваемого уже при комнатной температуре контакта с катодной стороной МЭС и в идеальном случае в процессе спекания стеклокерамического уплотнения они соединяются с катодом с геометрическим замыканием и/или с адгезивным соединением. Применение растворителей или влажных паст может дополнительно оптимизировать или поддержать этот эффект. В частности, конструкция батареи топливных элементов значительно упрощается за счет того, что на стороне анода выполняется лишь рамочное стеклянное соединение или стеклокерамическое уплотнение. Следовательно, смонтированная таким образом батарея топливных элементов отличается высокой механической нагрузочной прочностью, при этом может быть в значительной степени исключено разрушение МЭС.

Контактное устройство согласно изобретению может быть преимущественным образом усовершенствовано тем, что спекающийся компонент расположен лишь на обращенной к аноду стороне соединительного устройства. Как уже было пояснено выше, преимущественным образом стеклокерамическое уплотнение расположено и спекается как спекающийся компонент между анодом соответствующей МЭС и соединительным устройством, в частности конструктивным элементом соединительного устройства в форме биполярной пластины.

Далее, контактное устройство согласно изобретению может быть выполнено таким образом, что соединительное устройство на своей обращенной к катоду стороне исключительно посредством контактных элементов соединено со второй мембранно-электродной сборкой. При этом соединение соответствующих контактных элементов с катодом соответствующей МЭС может быть осуществлено уже при комнатной температуре и в идеальном случае в процессе спекания они соединяются с катодом соответствующей МЭС с геометрическим замыканием и/или с адгезивным соединением. Так как спекающиеся стеклокерамические уплотнения предусмотрены лишь на одной стороне соединительного устройства (анодной стороне), между тем как на другой стороне соединительного устройства (катодной стороне)

- 3 017184 уже имеется механическое соединение расположенных на катодной стороне контактных элементов (катодных контактных элементов) с соответствующей МЭС, то геометрическое замыкание и/или адгезивное соединение может быть осуществлено, по меньшей мере, катодных контактных элементов.

Кроме того, контактное устройство согласно изобретению может быть реализовано таким образом, что спекающийся компонент выполнен стеклокерамическим уплотнением. В частности, стеклокерамическое уплотнение выполнено как рамочное стеклокерамическое уплотнение, которое продолжается, по существу, вдоль периферии МЭС, в частности электролитов МЭС.

Далее, контактное устройство согласно изобретению может быть выполнено таким образом, что на обращенной к аноду стороне соединительного устройства предусмотрен по меньшей мере один выполненный как пеноникель контактный элемент для создания электропроводящего соединения с первой мембранно-электродной сборкой.

Кроме того, контактное устройство согласно изобретению может быть выполнено таким образом, что предусмотрено множество обращенных к катоду электропроводящих контактных элементов соединительного устройства, при этом множество предусмотренных на стороне катода электропроводящих контактных элементов равномерно расположены по всей поверхности катода второй мембранноэлектродной сборки для соединения со второй мембранно-электродной сборкой. Преимущественным образом катод выполнен в этом случае с исключительно большой поверхностью; в частности, катод МЭС выполнен таким образом, что его поверхность больше поверхности анода. При этом особенно преимущественным является, что катод выполнен примерно равновеликим с электролитом МЭС. Далее, катодные контактные элементы или катодные контактные перемычки находятся на всей поверхности МЭС, преимущественно равномерно разнесенные между собой, при том что эта поверхность примерно соответствует поверхности катода или поверхности электролита, если смотреть в направлении батареи топливных элементов. В частности, поле течения катода может продолжаться по катоду и катодным контактным перемычкам, а также по одному корпусному элементу соединительного устройства. Катодные контактные перемычки могут быть выполнены как отдельные детали или также могут быть структурно интегрированы в корпусный элемент соединительного устройства; хотя возможны также комбинации обоих вариантов. Равным образом допустимы также варианты, в которых поле течения катода может быть выполнено, по меньшей мере, частично перемычками непосредственно из корпусного элемента соединительного устройства, которые посредством определенных тонких электропроводящих покрытий контактируют с соответствующей МЭС. Такие покрытия могут быть нанесены на соответствующие перемычки различными способами, например нанесены валком или напылением. С другой стороны, поле течения анода может быть выполнено, например, из пенистого материала, предпочтительно из никеля. Поле течения анода может быть также структурно интегрировано в соединительное устройство. Также в этом случае возможны комбинации.

Предпочтительно контактное устройство согласно изобретению может быть усовершенствовано так, что поверхность катода соответствующей мембранно-электродной сборки, по существу, соответствует поверхности электролита соответствующей мембранно-электродной сборки.

В этой связи также может быть предусмотрено выполнение контактного устройства согласно изобретению таким образом, что поверхность катода и/или электролита соответствующей мембранноэлектродной сборки является большей, чем поверхность анода соответствующей мембранно-электродной сборки.

Способ согласно изобретению основан на соответствующем уровне техники в том, что лишь на одной стороне соединительного устройства, на обращенной к аноду или обращенной к катоду стороне соединительного устройства, предусмотрен по меньшей мере один спекающийся компонент, который соединен с первой или со второй мембранно-электродной сборкой таким образом, что электропроводящее соединение создано посредством контактного элемента на стороне анода или контактного элемента на стороне катода путем спекания спекающегося компонента. При этом аналогичным или подобным образом создаются преимущества, описанные в связи с контактным устройством согласно изобретению, поэтому во избежание повторов делается ссылка на соответствующие варианты осуществления в связи с контактным устройством согласно изобретению.

Это относится также по смыслу к нижеследующим преимущественным вариантам осуществления способа согласно изобретению, поэтому во избежание повторов также в этом отношении делается ссылка на соответствующие варианты осуществления в связи с контактным устройством согласно изобретению.

Способ согласно изобретению может быть преимущественным образом усовершенствован тем, что спекающийся компонент расположен лишь на обращенной к аноду стороне соединительного устройства.

Далее, способ согласно изобретению может быть выполнен таким образом, что соединительное устройство на своей обращенной к катоду стороне исключительно посредством контактных элементов соединено со второй мембранно-электродной сборкой.

Кроме того, способ согласно изобретению может быть выполнен таким образом, что электропроводящее соединение создано спеканием стеклокерамического уплотнения как спекающегося компонента.

Далее, способ согласно изобретению может быть реализован таким образом, что на обращенной к

- 4 017184 аноду стороне соединительного устройства предусмотрен по меньшей мере один выполненный как пеноникель контактный элемент для создания электропроводящего соединения с первой мембранноэлектродной сборкой.

Преимущественным образом способ согласно изобретению выполнен таким образом, что предусмотрено множество обращенных к катоду электропроводящих контактных элементов соединительного устройства, при этом множество предусмотренных на стороне катода электропроводящих контактных элементов равномерно расположены по всей поверхности катода второй мембранно-электродной сборки для соединения со второй мембранно-электродной сборкой.

Далее, способ согласно изобретению может быть усовершенствован так, что поверхность катода соответствующей мембранно-электродной сборки выполнена таким образом, что она, по существу, соответствует поверхности электролита соответствующей мембранно-электродной сборки.

В этой связи способ согласно изобретению предпочтительно преобразован таким образом, что поверхность катода и/или электролита соответствующей мембранно-электродной сборки выполнена таким образом, что она является большей, чем поверхность анода соответствующей мембранно-электродной сборки.

Батарея топливных элементов согласно изобретению включает в себя по меньшей мере одно контактное устройство согласно изобретению и смонтирована преимущественно в соответствии со способом согласно изобретению. Вследствие этого создаются по смыслу аналогичные преимущества, которые пояснены в связи с контактным устройством согласно изобретению.

Ниже преимущественная форма осуществления изобретения поясняется в качестве примера со ссылкой на чертежи, на которых показано:

фиг. 1 - схематичное изображение в разрезе относящейся к уровню техники батареи топливных элементов до реализации способа монтажа;

фиг. 2 - схематичное изображение в разрезе батареи топливных элементов с фиг. 1 после реализации способа монтажа;

фиг. 3 - схематичное изображение в разрезе батареи топливных элементов до реализации способа монтажа согласно изобретению;

фиг. 4 - схематичное изображение в разрезе батареи топливных элементов после реализации способа монтажа согласно изобретению; и фиг. 5 - схематичное изображение в разрезе батареи топливных элементов с несколькими мембранно-электродными сборками и соединительными устройствами после реализации способа монтажа согласно изобретению.

На фиг. 3 в схематичном изображении показан вид в разрезе батареи топливных элементов 34, в частности батареи твердооксидных топливных элементов, до реализации способа монтажа согласно изобретению. В частности, на фиг. 3 показаны мембранно-электродная сборка (МЭС) 52 и два частично представленные соединительные устройства 10 батареи топливных элементов 34, которые расположены выше и ниже МЭС 52. В показанной частично на фиг. 3 батарее топливных элементов 34 представлены, поясняемые ниже более детально, соединяемые спеканием компоненты батареи топливных элементов в так называемом белом состоянии. Это означает, что соединяемые спеканием компоненты батареи топливных элементов 34 представляют собой так называемые белые заготовки.

С другой стороны, на фиг. 4 показано схематичное изображение разреза батареи топливных элементов 34 с фиг. 3 после реализации способа монтажа согласно изобретению, в частности после спекания соединяемых и поясняемых ниже более детально компонентов батареи топливных элементов 34.

Вначале более детально излагается принципиальная конструкция батареи топливных элементов 34 в смонтированном положении со ссылкой на фиг. 5, прежде чем обратиться к реализации способа согласно изобретению со ссылкой на фиг. 3 и 4. На фиг. 5 показано схематичное изображение в разрезе батареи топливных элементов 34 с несколькими мембранно-электродными сборками (МЭС) 52 (на фиг. 5 показаны в качестве примера три МЭС) и несколько соединительных устройств 10 (на фиг. 5 показаны в качестве примера два полных соединительных устройства) после реализации способа монтажа согласно изобретению. Батарея топливных элементов 34 включает в себя несколько повторяемых модулей, которые соответственно состоят из мембранно-электродной сборки 52 и соединительного устройства 10. На фиг. 5 изображены, в частности, два полных повторяемых модуля, при этом батарея топливных элементов 34 может состоять из любого числа таких повторяемых модулей. Как видно на фиг. 5, соединительные устройства 10 расположены обычно между двумя мембранно-электродными сборками 52, при этом каждая мембранно-электродная сборка 52 содержит соответственно анод 12, электролит 14, а также катод 16. В частности, в рамках настоящего описания каждая мембранно-электродная сборка 52 и находящееся в контакте с анодом 12 мембранно-электродной сборки соединительное устройство 10 образуют повторяемый модуль батареи топливных элементов 34.

Как видно из полностью изображенных на фиг. 5 соединительных устройств 10, каждое соединительное устройство 10 включает в себя корпусный элемент или биполярную пластину 26, которая на своей верхней стороне, видимой на фиг. 5, посредством стеклокерамического уплотнения 20 соединена непосредственно с электролитом 14 расположенной над соединительным устройством 10 мембранно

- 5 017184 электродной сборки 52. Далее, корпусной элемент 26 на своей нижней стороне исключительно посредством нескольких расположенных на ней контактных перемычек 30 соединен с катодом 16 расположенной под этим соединительным устройством 10 мембранно-электродной сборки 52. При этом контактные перемычки 30 могут быть представлены в любом количестве. Корпусный элемент 26, стеклокерамическое уплотнение 20 и анод 12, а также частично электролит 14 образуют промежуточную полость, в которой помещен пеноникель 28, который частично заполняет промежуточную полость. На нижней стороне корпусного элемента 26, то есть между корпусным элементом 26 и нижней мембранно-электродной сборкой 52, на базе предусмотренных на нижней стороне корпусного элемента 26 контактных перемычек 30 и нижней мембранно-электродной сборки 52 соответственно выполнены газовые каналы 32. Преимущественным образом в данном случае через газовые каналы 32 пропускают газ, обогащенный кислородом, или чистый кислород, в то время как обогащенный водородом газ или чистый водород пропускают через пеноникель 28, а также промежуточную полость. Далее из фиг. 5 видно, что анод 12 каждой мембранноэлектродной сборки 52 продолжается перпендикулярно относительно направления батареи топливных элементов (на фиг. 5 налево) почти до стеклокерамического уплотнения 20, которое ограничивает промежуточную полость по периферийной зоне батареи топливных элементов 34. С другой стороны, электролит 14 и катод 15 продолжаются радиально почти до наружной окружности стеклокерамического уплотнения 20, при том что в данном случае не показаны расположенные радиально дальше снаружи подводы газа или участки коллектора батареи топливных элементов 34. Электролит 14 и катод 16 имеют, по существу, одинаковую (проецированную) поверхность, если смотреть в направлении батареи топливных элементов, в то время как поверхность анода 12, по сравнению с поверхностью электролита 14 и катода 16, значительно меньше.

Способ согласно изобретению для монтажа батареи топливных элементов выполнен следующим образом. Как видно на фиг. 3, расположенный в промежуточной полости между корпусным элементом 26 соединительного устройства 10 и анодом 12 пеноникель 28 имеет электропроводящее соединение и механическое соединение лишь с корпусной деталью 26. Это обусловлено тем, что стеклокерамическое уплотнение на изображенном на фиг. 3 виде в разрезе батареи топливных элементов еще до осуществления спекания имеет толщину, которая превышает толщину пеноникеля 28 и анода 12. Напротив, катодные перемычки на верхней стороне мембранно-электродной сборки 52 уже перед спеканием находятся в электропроводящем, а также механическом соединении с катодом 16 мембранно-электродной сборки 52, а также с корпусным элементом 26 другого соединительного устройства. Как видно на фиг. 4, после спекания анод 12 мембранно-электродной сборки 52 вследствие спекания и вязкого течения стеклокерамического уплотнения 20 и корпусной элемент 26 посредством пеноникеля 28 находятся в электропроводящем соединении и, кроме того, соединены между собой механически. Напротив, на катодной стороне мембранно-электродной сборки 52 непосредственное и исключительное соединение с контактными перемычками 30 другого верхнего соединительного устройства 10 остается неизменным для поддержания электропроводящего соединения, а также механического соединения. При этом расположенные на катодной стороне мембранно-электродной сборки 52 катодные перемычки 30 в ходе процесса спекания стеклокерамического уплотнения 20 соединяются с геометрическим замыканием и/или адгезивным соединением с катодом соответствующей мембранно-электродной сборки 52.

Следует заметить, что геометрия, по меньшей мере, частично изображенной на фиг. 3-5 батареи топливных элементов представлена сильно упрощенной и схематичной. На фиг. 3-5 для лучшей наглядности стеклокерамические уплотнения 20, например, изображены с толщиной в направлении батареи топливных элементов, которая перед спеканием превышает толщину пеноникеля 28 и анода 12, а после спекания равна толщине пеноникеля 28 и анода 12. Однако стеклокерамические уплотнения рассчитаны преимущественно скорее тонкими, при этом необходимое для контактирования пеноникеля 28 выравнивание по высоте может осуществляться за счет соответствующего выполнения других компонентов; так, например, биполярная пластина может быть реализована с более толстыми краевыми зонами и/или пониженным полем течения.

Признаки, раскрытые в вышеприведенном описании, на чертежах, а также в пунктах формулы изобретения, могут быть существенными для реализации изобретения, каждый в отдельности или в любой комбинации.

Перечень ссылочных позиций.

10' - соединительное устройство;

12' - анод мембранно-электродной сборки;

14' - электролит мембранно-электродной сборки;

16' - катод мембранно-электродной сборки;

20' - стеклокерамическое уплотнение выше и ниже МЭС;

26' - корпусный элемент;

28' - пеноникель;

30' - контактная перемычка;

32' - газовый канал;

52' - мембранно-электродная сборка (МЭС);

- 6 017184

- соединительное устройство;

- анод мембранно-электродной сборки;

- электролит мембранно-электродной сборки;

- катод мембранно-электродной сборки;

- стеклокерамическое уплотнение выше и ниже МЭС;

- корпусный элемент;

- пеноникель;

- контактная перемычка;

- газовый канал;

- батарея топливных элементов

- мембранно-электродная сборка.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Контактное устройство для батареи топливных элементов с соединительным устройством (10), которое расположено с возможностью создания электропроводящего соединения посредством по меньшей мере одного расположенного на стороне анода и по меньшей мере одного расположенного на стороне катода контактного элемента (28, 32) между анодом (12) первой мембранно-электродной сборки (52) и катодом (16) второй мембранно-электродной сборки (52), отличающееся тем, что лишь на одной стороне соединительного устройства (10) - на обращенной к аноду (12) или обращенной к катоду (16) стороне соединительного устройства (10) - предусмотрен по меньшей мере один компонент, подлежащий спеканию, который соединен с первой или со второй мембранно-электродной сборкой (52) таким образом, что электропроводящее соединение может быть создано посредством контактного элемента (28, 32) на стороне анода или на стороне катода путем спекания компонента (20), подлежащего спеканию, и на другой стороне соединительного устройства (10) предусмотрено механическое соединение по меньшей мере одного контактного элемента (28, 32) с соответствующей мембранно-электродной сборкой (52), обеспечивающее геометрическое замыкание и/или адгезивное соединение.
2. Контактное устройство по п.1, отличающееся тем, что батарея топливных элементов представляет собой батарею твердооксидных топливных элементов (8ОБС).
3. Контактное устройство по п.1, отличающееся тем, что компонент (20), подлежащий спеканию, расположен лишь на обращенной к аноду (12) стороне соединительного устройства (10).
4. Контактное устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что соединительное устройство (10) на своей обращенной к катоду стороне соединено со второй мембранно-электродной сборкой (52) исключительно посредством контактных элементов (30).
5. Контактное устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что компонент, подлежащий спеканию, выполнен стеклокерамическим уплотнением (20).
6. Контактное устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что на обращенной к аноду (12) стороне соединительного устройства (10) предусмотрен по меньшей мере один выполненный как пеноникель контактный элемент (28) для создания электропроводящего соединения с первой мембранноэлектродной сборкой (52).
7. Контактное устройство по одному из пп.1-6, отличающееся тем, что предусмотрено множество обращенных к катоду (16) электропроводящих контактных элементов (30) соединительного устройства (10), при этом множество предусмотренных на стороне катода электропроводящих контактных элементов (30) равномерно расположены по всей площади поверхности катода (16) второй мембранноэлектродной сборки (52) для соединения со второй мембранно-электродной сборкой (52).
8. Контактное устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что площадь поверхности катода (16) соответствующей мембранно-электродной сборки (52), по существу, соответствует площади поверхности электролита (14) соответствующей мембранно-электродной сборки (52).
9. Контактное устройство по одному из пп.1-8, отличающееся тем, что площадь поверхности катода (16) и/или электролита (14) соответствующей мембранно-электродной сборки (52) является большей, чем площадь поверхности анода (12) соответствующей мембранно-электродной сборки (52).
10. Способ сборки батареи топливных элементов по меньшей мере из одного контактного устройства, содержащего соединительное устройство (10), которое расположено с возможностью создания электропроводящего соединения посредством по меньшей мере одного расположенного на стороне анода и по меньшей мере одного расположенного на стороне катода контактного элемента (28, 32) между анодом (12) первой мембранно-электродной сборки (52) и катодом (16) второй мембранно-электродной сборки (52), отличающийся тем, что лишь на одной стороне соединительного устройства (10) - на обращенной к аноду (12) или обращенной к катоду (16) стороне соединительного устройства (10) - обеспечивают по меньшей мере один компонент, подлежащий спеканию, и соединяют его с первой или со второй мембранно-электродной сборкой (52) таким образом, что электропроводящее соединение создано посредством контактного элемента (28, 32) на стороне анода или на стороне катода путем спекания компонента (20), подлежащего спеканию, и обеспечивают на другой стороне соединительного устройства (10) меха

- 7 017184 ническое соединение по меньшей мере одного контактного элемента (28, 32) с соответствующей мембранно-электродной сборкой (52), обеспечивающее геометрическое замыкание и/или адгезивное соединение.
11. Способ по п.10, в котором батарея топливных элементов представляет собой батарею твердооксидных топливных элементов (8ОРС).
12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что компонент (20), подлежащий спеканию, располагают лишь на обращенной к аноду стороне соединительного устройства (10).
13. Способ по одному из пп.10-12, отличающийся тем, что соединительное устройство (10) на своей обращенной к катоду стороне соединяют со второй мембранно-электродной сборкой (52) исключительно посредством контактных элементов (30).
14. Способ по одному из пп.10-13, отличающийся тем, что электропроводящее соединение выполняют спеканием стеклокерамического уплотнения (20) как компонента, подлежащего спеканию.
15. Способ по одному из пп.10-14, отличающийся тем, что на обращенной к аноду (12) стороне соединительного устройства (10) располагают по меньшей мере один выполненный как пеноникель контактный элемент (28) для создания электропроводящего соединения с первой мембранно-электродной сборкой (52).
16. Способ по одному из пп.10-15, отличающийся тем, что обеспечивают множество обращенных к катоду (16) электропроводящих контактных элементов (30) соединительного устройства (10), при этом множество предусмотренных на стороне катода электропроводящих контактных элементов (30) равномерно расположено по всей площади поверхности катода (16) второй мембранно-электродной сборки (52) для соединения со второй мембранно-электродной сборкой (52).
17. Способ по одному из пп.10-16, отличающийся тем, что поверхность катода (16) соответствующей мембранно-электродной сборки (52) формируют таким образом, что ее площадь, по существу, соответствует площади поверхности электролита (14) соответствующей мембранно-электродной сборки (52).
18. Способ по одному из пп.10-17, отличающийся тем, что поверхность катода (16) и/или электролита (14) соответствующей мембранно-электродной сборки (52) формируют таким образом, что ее площадь является большей, чем площадь поверхности анода (12) соответствующей мембранно-электродной сборки (52).
19. Батарея топливных элементов, содержащая по меньшей мере одно контактное устройство по одному из пп.1-9 и предпочтительно собираемая в соответствии со способом по одному из пп.10-18.
20. Батарея топливных элементов по п.19, причем батарея топливных элементов представляет собой батарею твердооксидных топливных элементов (8ОРС).