DE2214412A1 - Bipolare niederdruckelektrode fuer gasbrennstoffzellen - Google Patents

Description

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Liceiitia Pat ent-Verwaltungs -GmbH 6 Frankfurt, Theodor-Stern-Kai 1

Schub/er F 72/26

Bipolare Niederdruckelektrode für Gasbrennstoffzellen

Die Erfindung bezieht sich auf eine bipolare Niederdruckelektrode für Gasbrennstoffzellen.

Es sind bereits bipolare Elektroden für alkalische und saure Brennstoffzellen bekannt. Für alkalische Brennstoffzellen wird vielfach der Gasraum und die kontaktierende Trennwand durch wellblechartige Metallteile gebildet. Für bipolare Niederdruckelektroden in saurem Elektrolyten ist eine derartige Ausbildung nicht verwendbar, da es keine preislich geeigneten Kontaktmetalle gibt. Für Brennstoffzellen mit saurem Elektrolyten ist es bekannt, den Gasraura und die kontaktierende Trennwand (Zellwand) durch

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eine beidseitig berippte Platte zu bilden, die aus durch Goldbeimengung leitend geinachter Sintericerarailc oder aus starrem Elektrographit mit beidseitig kontaktierend aufgelegter Anode und Kathode besteht. Zur Gaszuführung und -verteilung hat die Elektrode ein offenes Kanalsystem paralleler Stege, durch welches das Gas über die ganze Breite einer Seite der Elektrode eingeleitet und an der gegenüberliegenden Seite ausgeleitet wird» Für den Ein- und Austritt des Gases sind große Schlitze vorgesehen. Diese Ausbildung bedingt, daß die Ein- und Auslaßschlitze in breite Versorgungskanäle münden, die am Äußeren der Batterie zusätzlich angebracht werden müssen. Durch diese Kanäle wird das Gesamt-Batterievolumen sehr vergrößert.

Es ist ferner bekannt, die Elektrodenschichten am Rand völlig starr in eine Vergußmasse einzubetten oder in einen besonderen Rahmen einzukleben. In beiden Fällen ist ein mechanisches Arbeiten der Elektrode bzw. der Schichten problematisch. Da das Einspannmaterial stets andere Eigenschaften hat als das eigentliche Elektrodenmaterial (unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizient) und sich demgemäß beide Materialien unterschiedlich verhalten, kommt es zu mechanischen Spannungen in den Elektrodenschichten. Bei Ausbildungen mit einem Rahmen ergeben sich ferner Schwierigkeiten der Herausführung des Gases an den Rahmenrand und es muß dafür Sorge getragen werden, daß dieser vollkommen dicht an die Elektrodenschicht anschließt. Das ist

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infolge der temperaturbedingten Spannungszustände kaum auf Dauer zu gewährleisten. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin zu verhüten, daß der für die Gasführung vorgesehene Kanal nicht durch Dichtungsmaterial verschlossen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bipolare Niederdruckelektrode zu schaffen, bei der das Gas ohne große Druckverluste frei über die gesamte Elektrodenfläche strömen kann, so daß damit großflächige Elektroden und ein Betrieb mit verunreinigten Gasen ermöglicht ist. Trotzdem soll die Abdichtung des Gasein- und -auslasses einfach sein. Die Elektroden sollen ohne Lebensdauer begrenzende, elektrolytsperrende, gasseitige Hydrophobierung arbeiten. Da insbesondere für saure Brennstoffzellen keine preislich geeigneten Metalle zur Verfugung stehen, soll der Aufbau der Elektrode ohne Metall zur Kontaktierung und zur Elektrolyt- und Gastrennung erfolgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrode aus einer flexiblen Graphitschaumfοlie mit zu beiden Seiten aufgebrachten, einen Rand an der Folie freilassenden aktiven Schichten besteht, die gasseitig mit einem einen geschlossenen Gasraum bildenden Kanalsystem mit Profilierung und mit den Gasraum zugänglich machenden Bohrungen für die Luft- und Brenngasversorgung versehen

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Zweckdienliche ^Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandos sind den Untcransprüchen zu entnehmen.

Nachstehend wird die Ei"findtmg anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. ί die bipolare Elektrode von zwei Seiten, Fig. 2 die als Trennwand verwendete Graphitschaumfolie und die Anodenschicht mit einer Profilierung

auf der Gasseite,
Fig. 3 eine andere Art der Profilierung.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, besteht die bipolare Elektrode aus einer Gas und Elektrolyt trennenden, elektronisch kontaktierenden flexiblen Folie 1 aus etwa 0,2 mm starkein hochverdichteten Graphitschaum, auf deren einer Seite eine Anodenschicht 2 und zwei Dichteleniente 3» ^ und auf deren anderer Seite eine Kathodenschicht 5 und zwei Dichtelemente 6, 7 aufgebracht sind. Die Größe der Schichten 2, 5 ist kleiner als die der Graphitschaumfolie 1, so daß sich ein freier Folienrand 8 ergibt, der zum elektrolytdichten, elastischen, randfreien Einspannen der Elektrodenschichten 2, 5 dient. Der nicht weiter dargestellte Elektrolyt bedeckt die Außenflächen der Schichten 2, 5« Die Anodenschicht 2 ist beispielsweise Wolframcarbid mit Polytetrafluorethylen (PTFE), und die Kathodenschicht ist beispielsweise Aktivkohle mit PTFE.

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Die Dichtelemente 3, 4 mit don Löchern 9> 10 dienen den Anschluß der Luftversorgung zur näc3istcn Elektrode, während die Dichtelenente 6, 7 lait de:i Löchom 11, 12 dem Anschluß der Gasversorgung zur nächsten Elektrode dienen. Die Anodenschicht 2 hat nit den Löchern 11, 12 korrespondierende Löcher 13, l4 und die Kathodenschicht 5 hat nit den Löchern 9f 10 korrespondierende Löcher 15,l6. Die Schicht 2 liegt, die Löcher 11, 12 für die Brenngasversorgung überdeckend und die Dichtelemente 3> 4 für die Luftversorgung ausnehmend, dicht auf der Graphitschaumfolie 1 auf. Die Kathodenschicht 5 liegt, die Löcher 9»10 der Luftversorgung überdeckend und die Dicht el entente 6, 7 für die Gasversorgung ausnehmend, ebenfalls dicht auf der Graphitschaumfolie 1 auf. Ein elektronisch leitender Verbund von Anodenschicht 2, Zellenwand 1 und Kathodenschicht 5 kann beispielsweise durch Verklebxing mit einen

ο aushärtenden Zweikomponentenharz unter etwa 100 kp/cm Druck oder durch eine Kunststoffsinterung unter Druck erfolgen.

Die Graphitschaunfolie 1 dient neben der Ftinktion als Zellenwand auch zur Stromweitergabe von einer Schicht zur anderen. Durch sie ist eine direkte großflächige Kontaktierung zwisehen der Anode und Kathode erreicht. Es werden so extrem kurze Strorawege erhalten, die von besonderer Bedeutung für Brennstoffzellen mit saurem Elektrolyten sind, für die es bisher keine technisch einsetz-

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Laren Kontaktierung- und Stronlcitniaterialien gibt, die awecks Erzielung eines geringen. Gewichts und geringer olir.ischer Verluste sehr gute Leitfähigkeit besitzen müssen. Die erf in dungs gemäße Ausbildung ei-latibt es dagegen, Werkstoffe geringerer Leitfähigkeit einzusetzen, so daß sich kunststoffgebundene Katalysatorschichten als großflächige Elektroden ohne Stromableitelenente verwenden, lassen.

Wie bereits vorher erwähnt, sind die Anodenschicht 2 und die Kathodenschicht 5 über die Graphitschaumfolie 1 zusammengefügt. Durch den überstehenden Rand 8 der Graphitschaumfolie 1 ist die Elektrode an diesem Rand zu fassen. Dadurch müssen nicht mehr die Elektrodenschichten 2, 5 an ihrem Rande gefaßt werden. Die Fassung des Randes 8 kann entweder dvirch Einkleben in einen Rahmen, oder unter Zuhilfenahme geeigneter Abdichtungen eingegossen werden, oder allein durch mechanisches Verspannen geschehen.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, haben die Schichten 2, 5 einen erhabenen, ununterbrochenen Rand 29, der in seiner Stärke mit der Höhe der Stege 17 übereinstimmt. Dieser Rand 29 ist mit der Graphitschatxmfolie 1 verklebt. Die Graphitschaximfolie 1 unterscheidet sich von den aktiven Schichten zwar im Ausdelinungskoeffizienten, da aber diese beiden Schichten aus einem hochporösen, elastischen Kunststoff gerüst aufgebaut sind, treten auch bei starken Temperatvirschwanlcungen. keine schädlichen Spannungen zwischen den verklebten Schichten 1, 2, 5 auf. - 7 -

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Die Gi*aphit schaumfolie 1 hat folgende Ftuikt ionen:

1. sie ist eine trennende Zellenwand tiiid trennt den Elekti~olyten von einer Zelle zur anderen;

2. sie ist eine trennende Gaswand, indem sie zwei verschiedene Gase voneinander trennt;

3. sie dient dazu, die atis Folie 1 und Schichten 2, 5 bestehende bipolare" Elektrode am Rande einzuspannen bzw, festzuhalten, so daß sich eine Arretierung in einer Batterie-ergibt;

4. sie dient als Kontakteleraent zur Kontaktierung von Anode und Kathode.

Eine verbesserte Festigkeit der Elektrodenschichten 2, und absolute Kurzschlußsicherheit kann durch angesintertes Glasfaservlies oder ähnliche, isolierende Faserstoffe an die Elektrodenoberfläche erreicht werden«

Die beiden Elektrodenschichten 2, 5 arbeiten als Gasdiffusionselektroden und sind in Verbindung mit der Graphitschaumfolie 1 zur Bildung eines gasseitigen Kanalsystems herangezogen, das beispielsweise durch eine Profilierung 17 der Elektrodenschichten 2, 5 ^a^f ihrer der Folie 1 zugekehrten Seite erreicht ist, wie diese aus der Fig. 2 an der Anodenschicht 2 ersichtlich ist. In der Fig. 2 1st die Anodenschicht 2 losgelöst von der Graphitschaumfolie 1 dargestellt, so daß die Ausbildung

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clox" Irm.eiiseite der Anodenschicht 2 ersichtlich ist« Das Gas befindet sich also swisehen der Graphitschaunfolie 1 und der Elektrode 2. Das Kanalsystem mündet in die beiden Öffnungen 13, I¹I der Anodenschicht 2. Es übernimmt die gleichmäßige Verteilung der Gasströmung über die gesamte Elektrodenfläche und gewährt zwischen den beiden unmittelbar in der Anodenschicht 2 liegenden Öffnungen 13» l4l· eine Strömung ohne merklichen Druclcverlust des Gases über die Elelctrodenflache, was bei Niederdruckelektroden von entscheidender Bedeutung für die Funktion großflächiger Elektroden bei Verwendung von Luft und Spaltgasen ist, welche wegen des hohen inerten Gasanteils eine merkliche Strömung zum Abtransport der Inertgase erfordern.

Die gleiche Ausbildung der Profilierung, wie sie in der Fig. 2 die Anodenschicht 2 gasseitig trägt, ist auch auf der gasseitigen Fläche der Kathodenschicht 5 vorgesehen. Da die Profilierung beider Elektrodenschichten 2, 5 gleich ausgebildet ist, liegt über der Graphitschaumfolie 1 Steg auf Steg auf, so daß bei einer Verklebung der Schichten 2, 5 mit der Graphitschaumfolie 1 unter Druck ein Ausweichen tind Verformen der Folie 1 vermieden ist.

Die Art der Profilierung 17 nach Fig. 2 ergibt eine gleichmäßige Verteilung der Gasströmung. Ohne eine Profilierung

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strömt das Gas vom Einlaß 13 diagonal zum Auslaß l'i, so daß große Teile der gasseitigen Fläche l8 der Anodenschiclit 2 nicht von der Gasströmung berührt werden. Die Ausbildung der Profilierung 17 bewirkt nun, daß sich das Gas sehr gleichmäßig über die gasseitige Fläche l8 verteilt.

Durch die gewählte Profilierung wird das Gas gezwungen, auch die von der Diagonale abweichenden weiteren liege zu gehen, da die Strömungswiderstände auf irgendeinem Wege vom Einlaß 13 zum Auslaß lA praktisch gleich sind_e Um dies zu erreichen, sind am Ein- und Auslaß 13, lh Führungsstege 19j 20 vorgesehen, an die sich Reihen 21 bis 23 und 24 bis 26 von Zwischenstegen anschließen_s deren Häufigkeit und Verteilung so gewählt ist, daß eine gleichmäßige Strömung des Gases in angedeuteter Pfeilrichtung erfolgt.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, haben diese Zwischenstege verschiedene Längen. Ferner sind sie in bestimmter Weise gegeneinander versetzt angeordnet. Es ergeben sich dadurch unterschiedliche Strömungswiderstände und eine entsprechende Verteilung des Gases. Die Zwischenstege der Reihen 23, 2k sind relativ klein ausgebildet, um eine möglichst feinteilige Aufteilung der Gasströmung zu erreichen. Diese Stege sind in ihrer Länge so bemessen, daß in Verbindung

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mit den Stegen 27» die nur venig sur Vergleichmäßigung dor Strömung beitragen, der zvrinclien den Stegen der Reihe 23 hindiireintretende Gasstrom sich aufspaltet und als Sinzelstrone in die durch die Stege 27 gebildeten Kanäle gelangt.

Die an Einlaß 13 angeordneten Fülirtmgsstege 19 leiten das Gas in Teilströmen in Richtung der Reihen 21 bis 23 über die Fläche l3 der Schicht 2. Die Zwischenstege der Reihen 21 bis 23 bewirlien wiederum eine nochmalige Aufteilung der Teilströrae und Umlenkung um etwa 90 , so daß der gesamte Bereich 2δ der Fläche Io von Gas überströmt ist, worauf durch die Zwischenstege der Reihen ?Λ bis in der Zahl verringerte Teilströme gebildet und diese un etwa 90 in Richtung des Atislasses lk geleitet werden. Es ist so über die ganze Fläche l8 eine gleichmäßige Gasströmung ex'reicht«

Der Strömungswiderstand dieses Kanalsysteias ist außerordentlich gering, so daß eine großflächige Niederdruclc-Elelctrode möglich ist.

Die parallelen und glelchlangen Stege 27 sind für die Gasführung an sich nicht notwendig. Sie sind zwar auch an der VergleichniüBigung der Gasströmung beteiligt, dienen aber in erster Linie der Abstützung, um eine ausreichende

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Stabilität der Elektrode zu erreichen, und ferner dienen sie zur Kontaktierung. Diese Stege, wie selbstverständlich auch alle anderen, übernehmen die elektrische Kontaktierung zur Graphitschaumfolie 1.

Die Profilierung 17 erfüllt also zwei Funktionen, erstens die gleichmäßige Gasverteilung v.nd zweitens eine gleichmäßige Kontaktierung von Elektrodenschicht 2 und Zellwand 1, was wegen der Hochohraigkeit der Materialien ebenfalls
wesentlich ist.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausbildung der Profilierung. Die Anodenschicht 2 weist auf der gasseitigen Fläche l3 eine Px¹Ofilierung in Form einer "Vielzahl von erhabenen Noppen 30 auf. Das Noppenraster weist Stellen 31 bis 35 auf, an denen die Noppen 3O dichter beieinander angeordnet sind, so daß sich größere StrSinungswiderstände in diesen Gebieten ergeben. Dadurch wird erreicht, daß die Gasströmung nicht vorzugsweise in der
Diagonalen erfolgt. Die Variation der Strömungswiderstand© ist derart gewählt, daß die Verteilung der Strömung auch in die Randzonen der Fläche l8 erfolgt.

Die mit der Erfindung erzielten Vox-teile bestehen insbesondere darin, daß die bipolare Elektrode erlaubt, das
Leit'trtngsgewicht von Brennstoffzellenbatterien durch eine

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direkte, gi"oß:Clächigo Kontaktierung von der Anode einer Zelle mit dei* Kathode der folgenden Zelle zu optimieren, da jede äußere elektrische Verschalttmg v,nd die zugehörigen Stroriableitelenente der einzelnen Elektroden entfallen. Besondere stronleitende Kontaktelemente werden nicht benötigt. Das Verlegen der Gaseinspeisungen in die aktiven Schichten der Elektrode macht eine randfrei ej Aufhängung dieser Schichten möglich. Die Elektroden-Schichten können ferner mit der für das Kanalsystem erforderlichen Profi Ii er viii g in einem einzigen einfachen Arbeitsgang hergestellt werden. Das Kanalsystem ergibt sich ohne zusätzlichen Material- und Zeitaufwand. Durch die Gestaltung dieses Kanalsystems ergibt sich ein sehr kleiner Strötnungsvriderstand, so daß das Gas ohne großen Druckveriust die gesamte gasseitige Oberfläche der Schichten üb ei" strömen kann. Durch die elastische Aufhängung der Schichten an der Graphitschaumfolie ist ein Arbeiten derselben ohne Schaden möglich, was beim Zusammenbau und für die Lebensdauer von Brennstoffzellenbatterien sehr wichtig ist.

Patentansprü ehe

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Claims (1)

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   Li centia Patent-VerTraltungs-GnblX 6 Frankfurt, Theodor-Stern-Kai 1

   Sclitib/er P 72/26

   Patentanspruclie

   Τ) Bipolare Niederdruckelektrode für Gasbrennstoffzellen, gekennzeichnet durch eine flexible Graphits chauinfolie (l) mit zu beiden Seiten aufgebrachten, einen Rand (8) an der Folie (l) freilassenden aktiven Schichten (2, 5)> die gasseitig mit einem einen geschlossenen Gasraum bildenden Kanalsystera mit Profilierung (l7_t 30) ttnd mit den Gasraum zugänglich machenden Bohrungen (9 bis 12) für die Luft- und Brenngasversorgung versehen sind,

   2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein- und Auslaß (13, Ik) für die Brenngasversorgung und der Ein- und Auslaß (15, l6) für die Luftversorgung in die aktiven Schichten (2, 5) gelegt ist.

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   3, Elektrode nacli Anspruch 1 und 2, dadxxrch gekennzeichnet, daß das durch das Kanalsysten gebildete Strömungswiderstandsfeld der ProTilierung (17» 30) lokal unterschiedliche Ströiriungswiderstünde hat.

   'i. Elektrode nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das eintretende Gas durch am Einlaß (I3) angeordnete Führungselemente (19) in mehrere Teilströnie bestimmter Richtung gespalten wird, cU\ß durch weitere Verteilungseleraente (Reihen 21 bis 23) eine weitere Aufspaltung der Teilströme und Umlenkung der vermehrten Teilströme erfolgt und daß diese Tellströme durch weitere Verteilung und Führungselemente (Reihen 24 bis 26) zu einer verringerten Anzahl von Teilströinen zusammengefaßt und in Richtung des Axislasses (lk) umgelenkt werden»

   5. Elektrode nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung ein Noppenrasterfeld ist, welches in Nähe der Gas~Ein- und -Auslässe (13, lk) und im Mittelteil der gasseitigen Fläche (l3) Stellen (3I bis 35) mit dichter beieinander angeordneten Noppen (30) hat.

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