DE2040611A1 - Brennstoffelement - Google Patents

Description

• Brennstoffelement Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffelement, bestehend aus der Stapelung dünner Platten, die bipolare rechtwinklige Elektroden enthalten, deren Flächen mit länglichen Vorsprüngen versehen sind und die aus nichtporösen Folien bestehen, wobei die Elektroden unter Einfügung einer semipermeablen Membran aneinandergefügt sind und der Stapel Endplatten als Stromkollektoren enthält und am Außenumfang mit oeffnungen und Schlitzen versehen ist, die zusammen ein Kanalnetz für den Zufluß und Abfluß von mindestens zwei Flüssigkeiten bilden, die aisummaestens ein Reagens an jeder Fläche der Elektroden entlang parallel zu deren Mittelebene strömen, wobei die Vorsprünge der Elektroden sich gegenseitig hinreichend nahekommen und von einer Elektrode zur nächsten in unterschiedlicher Richtung verlängert sind, um ein Ineinandergreifen zu verhindern.
• Brennstoffelemente verschiedenen Aufbaues sind aus den französischen Patentschriften 1 379 800, 1 399 765, 1 522 304, 1 522 305, 1 522 306, 1 522 307 und 1 564 864 bekannt.
• Der hier interessierende Teil der Brennstoffelemente setzt sich danach aus einem Stapel von Einzelelementen zusammen, die im allgemeinen in Gestalt dünner Platten vorliegen, welche vorzugsweise bipolare Elektroden bilden, und mit Vorsprüngen versehen sind und hauptsächlich aus nichtporösen Folien hergestellt werden. Die Platten werden unter Einfügung einer semipermeablen Membran, also einer halbdurchlässigen Trennwand, aneinandergefügt und der so gebildete Stapel enthält Endplatten, die als Stromkollektoren dienen; im Randbereich sind die Bestandteile des Stapels mit Öffnungen und Schlitzen versehen, die miteinander ein Kanalnetz für die Zufuhr und den Abfluß von wenigstens zwei Flüssigkeiten bilden, so daß ein Elektrolyt und ein oder mehrere Reagenzien auf jeder Großfläche einer Elektrode parallel zu deren Mittelebene umströmen kann.
• Um zu verhindern, daß die aufeinanderfolgenden Elektroden sich miteinander verfangen, wurden die Vorsprünge der Elektroden bereits als ein Gitter länglicher, zueinander paralleler Segmente ausgebildet und zwei aufeinanderfolgende Elektroden in einem bestimmten Winkel gegeneinander verschoben, was mit der französischen Patentanmeldung 146 809 vorgeschlagen wurde.
• Weiterhin wurde mit der französischen Patentanmeldung 157 792 eine Elektrode mit gewählter Oberfläche vorgeschlagen, die, unter winkelmäßiger Verschiebung an oder auf eine benachbarte identische Elektrode gelegt, ein Ineinandergreifen oder Verfangen vermeiden läßt und außerdem die Eigenschaft besitzt, bei Versorgung mit einem flüssigen Elektrolyten, der eine große Menge Reaktionsgas mit sich führt, die beiden an ihr entlangströmenden Phasen, nämlich den Elektrolyten und das Reaktionsgas oder Reagens, voneinander zu trennen; diese strömen dann in verschiedenen Kanälen, was besonders günstig für die Verteilung der Kontaktflächen zwischen dem Reagens und der Elektrode einerseits und dem Elektrolyten und dem semipermeablen Diaphragma andererseits ist.
• Die Ausbildung der mit den beiden genannten französischen PatentSchriften vorgeschlagenen Elektroden verhindert wirkungsvoll, daß diese sich miteinander verfangen, und zwar zufolge ihrer gemeinsamen Eigenschaft, mit Vorsprüngen in Form länglicher Elemente derart versehen zu sein, daß diese bei zwei aneinandergefügten Elektroden in verschiedene Richtungen weisen. Die durch diese Ausrichtung der länglichen Elemente für den Elektrolyten vorgegebene Flußrichtung ist jedoch nachteilig. Legt man eine rechtwinklige Elektrode zugrunde, bei der der Elektrolyt von einer Kante oder Seite der Elektrode zur gegenüberliegenden strömt und die im folgenden als diejenigen bezeichnet werden, zwischen denen der Elektrolyt fließt, dann sind die länglichen Elemente notwendig in bezug auf die beiden anderen Kanten oder Seiten der Elektrode schräggestellt oder geneigt. Hieraus ergibt sich, daß die Elektrode schlecht benetzt ist und folglich unvollkommen ausgenützt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffelement des einleitend und vorstehend näher angegebenen Aufbaues, nämlich mit bipolaren Elektroden und Stromkollektorplatten an den Enden des Elektrodenstapels zu schaffen, bei dem der Elektrolyt von einer Seite der Elektrode zur gegenüberliegenden Seite im Mittel symmetrisch zur Seitenhalbierenden dieser beiden Seiten strömt.
• Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das System von Vorsprüngen jeder Elektrode aus mehreren Einzelgittern gebildet ist, von denen jedes einen zu den Seiten der Elektrode parallelen Streifen einnimmt, zwischen denen der Elektrolyt fließt und nacheinander die Vorsprünge umspült, wobei jedes Einzelgitter eine Anzahl länglicher, gegebenenfalls unterbrochener Vorsprünge enthält, die gerade sein können und zueinander parallel, jedoch in bezug auf die Seiten der Elektrode schräg gestellt sind, wobei die Vorsprünge zweier aufeinanderfolgender Elementargitter derart spiegelbildlich zueinander liegen, daß die mittlere Flußrichtung des Elektrolyten auf der Elektrode rechtwinklig zu denjenigen Seiten der Elektrode verläuft, zwischen denen dieser Fluß stattfindet.
• Hierdurch wird eine maximale Benetzung der Elektrodenfläche erreicht und zugleich wirkungsvoll verhindert, daß aufeinanderfolgende Elektroden sich miteinander verfangen.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffelementes zeichnet sich dadurch aus, daß parallelversetzt zu den länglichen Vorsprüngen einer Seite jeder Elektrode länglich Vertiefungen gleicher Abmessungen angeordnet sind, die die Vorsprünge auf der anderen Seite der Elektrode bilden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Elektroden aus einem metallischen oder halbleitenden Werkstoff oder aus einem durch Zuschläge leitend gemachten Kunststoff bestehen.
• Eine besonders gute STromausbeute wird bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffelement dadurch erzielt, daß die Elektroden mit einem katalytisch wirkenden Überzug versehen sind.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsforn sind die aus den Vorsprüngen gebildeten Einzelgitter "fischgrätenartig" und zueinander angeordnet, was dadurch erreicht wird, daß jede Elektrode wenigstens an einem Ende der streifenartigen Anordnung von Einzelgittern aus parallelen länglichen Vorsprüngen mit einem aus keilförmigen oder jedenfalls abweichend von den anderen geformten Vorsprüngen bestehenden Streifen versehen ist.
• Die Vorsprünge können an sich mit den Seiten der Elektroden einen beliebigen, jedoch von Oo verschiedenen Winkel bilden.
• Zu bevorzugen ist jedoch, daß die Reihen gerader Segmente um 450 gegenüber den Seiten der Elektrode geneigt sind.
• Insgesamt wird dadurch, daß man eine Elektrode in einer zu ihr oder zu der folgenden Elektrode um 1800 dreht, selbst bei seitlichen Verschiebungen verhindert, daß sich zwei Elektroden miteinander verfangen.
• Die länglichen Vorsprünge jeden Einzelgitters können statt aus geradlinigen Segmenten aus kreisbogenförmigen oder beliebig kurvenförmigen Segmenten bestehen, die so angeordnet sind, daß die gebildeten Muster jegliches Ineinanderverfangen benachbarter Elektroden verhindern. In ein und demselben Gitter können die Vorsprünge unterschiedliche Muster bilden.
• Aufeinanderfolgende Gitter können unterschiedliche Breite haben und unterschiedliche Vorsprünge aufweisen, so daß beispielsweise die Vorsprünge zweier aufeinanderfolgender Gitter die Gestalt der Ziffer Sieben aufweisen.
• Der gegenseitige Abstand der Vorsprünge liegt vorteilhaft in derselben Größenordnung wie ihre Tiefe.
• In der Zeichnung sind mehrere beispielsweise gewählte Ausführungsformen von Elektroden des erfindungsgemäßen Brennstoffelementes schematisch veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 bis 4 eine Aufsicht auf vergrößert dargestellte Teile von Ausführungsformen von Elektroden, bei denen die Vorsprünge jedes Einzelgitters aus geradlinigen Segmenten bestehen, Fig. 5 und 6 Darstellungen ähnlich Fig. 1 bis #, wobei jedoch die Vorsprünge jedes Einzelgitters Kreisbogenform haben, Fig. 7 eine bevorzugte Ausführungsform einer Elektrode mit "fischgrätenartig" angeordneten Einzelgittern, Fig. 8 einen Teil eines Einzelgitters der Ausführungsforn nach Fig. 7 in vergrößerter Darstellung.
• Der Teil 1 der Elektrode nach Fig. 1 enthält vier aufeinanderfolgende Gitter 2 bis 5 aus Vorsprüngen in Gestalt geradliniger Segmente.
• Der Teil einer Elektrode nach Fig. 2 enthält fünf Gitter mit geradlinigen Vorsprüngen.
• Der Teil einer Elektrode nach Fig. 3 entspricht dem nach Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, daß die geradlinigen Segmente jedes Gitters unterbrochen sind und jeweils zwei Einzelsegmente bilden.
• Bei dem in Fig. 4 dargestellten Teil einer Elektrode ist zwischen die aus zwei Elementarsegmenten gebildeten Reihen 6 und jeweils eine Reihe 7 mit einem einzigen Elementarsegment eingefügt.
• Der in Fig. 5 dargqtellte Teil einer Elektrode weist gekrümmte Segmente auf, von denen die Segmente 8 nach rechts, die Segmente 9 nach links gekrümmt sind und fünf Gitter 10 bis 14 bilden.
• In der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform besteht jedes der fünf Gitter 10 bis 14 aus aufeinanderfolgenden Reihen aus zwei Segmenten 15 und einem Segment 16.
• Insgesamt sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Beispielsweise kann rings um den äußeren Umfang einer Elektrode herum ein glatter Rand vorgesehen sein, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist und die verschiedenen veranschaulichten Muster können in ein und derselben Elektrode vereinigt sein. Die Elektroden können an einem oder an beiden Enden tSndernaus keilförmigen Vorsprüngen oder aus Vorsprüngen, deren Form von denen der Segmente der Gitter 2 bis 5 oder 10 bis 14 abweicht, versehen sein. Diese Bänder an den Enden der Elektroden beeinflussen oder verbessern die Verteilung des Elektrolyten.
• In Fig. 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Elektrode dargestellt. Diese hat die Form eines Quadrates, dessen Oberfläche in Bänder 17 bis 26 unterteilt ist, wobei die Bänder parallel zu den Seiten des Quadrates laufen und jedes von ihnen aus parallelen Reihen 27 kleiner gerader Segmente 28 gleicher Länge besteht, die um 450 in bezug auf die Seiten der Elektrode schräg stehen und die Richtung der Schrägstellung von einem Band zum nächsten Band wechselt, so daß die Reihen gerader Segmente eines BAndes mit den Reihen gerader Segmente des folgenden Bandes einen Winkel von 900 einschließen. Die Reihen zweier aufeinanderfolgender Bänder bilden so ein Fithgräten- oder Dachsparrenmuster. Die geraden Segmente der verschiedenen Reihen sind mit ihren Enden bei 29 so ausgerichtet, daß sich senkrecht zu den Segmenten verlaufende Spalte ergeben. wp-Fig. 7 sind lediglich die geradlinigen Segmente 28, die Vorsprüngen entsprechen, dargestellt. Diese selbe Seite der Elektrode ist jedoch auch mit in Fig. 8 dargestellt#en parallelen Reihen von Vertiefungen 31 versehen, die in Form von Segmenten dieselben Abmessungen wie die Vorsprünge 28 haben. Diese Vertiefungen sind in bezug auf die Vorsprünge parallel versetzt. Die Vertiefungen entsprechen Vorsprüngen auf der anderen Seite der Elektrode. Die Ausrichtung der Reihen27 von Vorsprüngen 28 und der Reihen 30 von Vertiefungen 31 entspricht einem der Bänder 17 bis 26; bei den zu diesem Band benachbarten Bändern sind die Reihen gegenüber den in Fig. 8 dargestellten um 900 verdreht ausgerichtet, so daß aufeinanderfolgende Bänder mit ihren Reihen abwechselnd wie in Fig. 8 dargestellt ausgerichtet bzw. rechtwinklig dazu ausgerichtet sind.
• Die Elektrode kann beispielsweise die Form eines Quadrates mit 11 cm Seitenlänge mit einem freien Rand von 0,5 cm Breite haben und ihre Oberfläche kann in zehn parallele Bänder von 10 cm Länge und 1 cm Breite unterteilt sein. Die kleinen Segmente haben eine Länge in der Größenordnung von Millimetern und die Abstände zwischen den Reihen der Segmente liegen in derselben Größenordnung. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bändern wie beispielsweise 17 und 18, kann ein Zwischenraum 32 in der Größenordnung von Millimetern liegen, wie dies Fig. 7 veranschaulicht, oder es kann auf den Zwischenraum gänzlich verzichtet werden.
• Die Elektrode nach Fig. 7 oder nach Fig. 8 läßt sich vielfältig verwenden und kann sowohl mit einem aus einer reinen Flüssigkeit bestehenden Elektrolyten als auch mit einem Elektrolyten aus einer gasförmig-flüssigen Emulsion betrieben werden.
• Die Dicke der die Elektroden bildenden Folien liegt vorteilhaft bei einigen zehn /u und die Vorsprünge jeder Elektrode überragen deren Mittelebene vorzugsweise um einige Zehntel Millimeter.

Claims (11)

Patent ansprüche

1. Brennstoffelement, bestehend aus der Stapelung dünner Platten, die bipolare rechtwinklige Elektroden enthalten, deren Flächen mit länglichen Vorsprüngen versehen sind und die aus nichtporösen Folien bestehen, wobei die Elektroden unter Einfügung einer semipermeablen Membran aneinandergefügt sind und der Stapel Endplatten als Stromkollektoren enthält und am Außenumfang mit öffnungen und Schlitzen versehen ist, die zusammen ein Kanalnetz für den Zufluß und Abfluß von mindestens zwei Flüssigkeiten bilden, die als Elektrolyt und als mindestens ein Reagens an jeder Fläche der Elektroden entlang parallel zu deren Mittelebene strömen, wobei die Vorsprünge der Elektroden sich gegenseitig hinreichend nahekommen und von einer Elektrode zur nächsten in unterschiedlicher Richtung verlängert sind, um ein Ineinandergreifen zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß das System von Vorsprüngen jeder Elektrode aus mehreren Einzelgittern (2 bis 5) gebildet ist, von denen jedes einen zu den Seiten der Elektrode parallelen Streifen einnimmt, zwischen denen der Elektrolyt fließt und nacheinander die Vorsprünge umspült, wobei jedes Einzelgitter eine Anzahl länglicher, gegebenenfalls unterbrochener Vorsprünge enthält, die gerade sein können und zueinander parallel, jedoch in bezug auf die Seiten der Elektrode schräg gestellt sind, wobei die Vorsprünge zweier aufeinanderfolgender Elementargitter derart spiegelbildlich zueinander liegen, daß die mittlere Flußrichtung des Elektrolyten auf der Elektrode rechtwinklig zu denjenigen Seiten der Elektrode verläuft, zwischen denen dieser Fluß stattfindet.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1,.dadurch gekennzeichnet, daß parallelversetzt zu den länglichen Vorsprüngen (28) einer Seite jeder Elektrode Längliclre Vertiefungen (31) gleicher Abmessungen .angeordnet sind, die die Vorsprünge auf der anderen Seite der Elektrode bilden.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus einem metallischen oder halbleitenden Werkstoff oder aus einem durch Zuschläge leitend gemachten Kunststoff bestehen.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einem katalytisch wirkenden Überzug versehen sind.

5. Brennstoffelement nach einem. d#r Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode wenigstens an einem Ende der streifenartigen Anordnung von Einzelgittern aus parallelen länglichen Vorsprüngen mit einem aus keilförmigen oder jedenfalls abweichend von den anderen geformten Vorsprüngen bestehenden Streifen versehen ist.

6. Brennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus nichtporösen Folien einer Dicke von einigen 10 1u bestehen.

7. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge die Mittelebenen der Elektroden um einige Zehntel Millimeter überragen.

8. Brennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Vorsprünge in derselben Größenordnung liegt wie ihre Tiefe.

9. Brennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge der Einzelgitter Reihen gerader Segmente bilden und zwei aufeinanderfolgende Gitter symmetrisch in bezug auf eine Gerade parallel zu den Seiten der Elektrode sind, zwischen denen der Elektrolyt strömt.

10. Brennstoffelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen gerader Segmente um 45 gegenüber den Seiter der Elektrode geneigt sind.

11. Brennstoffelemente nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Reihe aus einer Linie kleiner Segmente einer Länge in der Größenord@ g von Millimetern besteht und die Reihen untereinander Pt ihren ~ stand in der Größenordnung von Millimet@@@ aufw@ s@@ und jedes Einzelgitter einen Streifen mit einer Bre@@e @n d@@ Größenordnung von Zentimetern einnimmt.