DE3204618A1

DE3204618A1 - Brennstoffzellenblock bestehend aus einem stapel hohler, elektroden tragender elemente

Info

Publication number: DE3204618A1
Application number: DE19823204618
Authority: DE
Inventors: Yves 7823O Le Pecq Breelle; Jacques 78600 Maisons Laffitte Cheron; Alain 75012 Paris Grehier
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1981-02-12
Filing date: 1982-02-10
Publication date: 1982-09-16
Also published as: FR2499774B1; BE892030A; JPS57151175A; IT1149751B; FR2499774A1; SE8200773L; GB2093263A; ES8302368A1; NL8200507A; GB2093263B; ES509528A0; IT8219600A0

Description

Brennstoffzellenblock bestehend sus einem Stapel hohler,Elektroden tragender Elemente

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenblock bestehend aus einem Stapel hohler, Elektroden tragender Elemente.

Die zur Zeit verwendeten Brennstoffzellenblöcke bestehen aus einem Stapel von unter Abstand zueinander gehaltenen Elektroden, die so Kammern abgrenzen, die einen Elektrolyt enthalten; Kammern die einen Brennstoff aufnehmen und Kammern, die mit einem Sauerstoffträger gespeist sind.

Die Elektroden umfassen einen elektrisch leitenden Träger, der mit geeigneten Katalysatorprodukten überdeckt ist, um die elektrochemischen Reaktionen zu ermöglichen.

Entsprechend dem Elektrodentyp zirkuliert der erzeugte elektrische Strom in den leitenden Platten und wird über seitliche Fahnen dieser Platten gesammelt. Man bezeichnet die Elektroden als vom Typ mit seitlicher Sammlung.

Die Elektroden dieses Typs ermöglichen es, leicht die elektrischen Verbindungen außerhalb des Zellenblockes zu realisieren; ihre Abmessungen jedoch und die Größe des Stroms pro Oberflächeneinhe'it sind aufgrund der Tatsache begrenzt, daß der elektrische Träger einen nichtvernachlässigbaren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.

Die Elektroden vom Typ "stirnseitiger Sammler",in denen der elektrische Strom senkrecht zu den Elektroden zirkuliert, bieten keine Probleme hinsichtlich des Abflusses des elektrischen Stroms, erfordern aber elektrische Kontakte zwischen gewissen Elektroden sowie dichte und

isolierende Trennunger, zwischen dem Sauerstoff träger und dem Brennstoff zweier benachbarter Brennstoffelemente; anders ausgedrückt: diese Kammern haben nur auf einer einzigen Seite eine aktive Oberfläche. Hieraus folgt eine weniger große Kompaktheit der Brennstoffzellenblöcke für ein und die gleiche elektrische Leistung.

Verschiedene Ausführungsformen, welche diese bekannten Techniken ausnutzten, sind beispielsweise dargelegt in der französischen Patentschrift 1 323 173» in der französischen Patentanmeldung 2 347 786 und durch die US-PS 3 554 803.

Die oben erwähnten Nachteile werden erfindungsgemäß überraschend behoben durch einen Brennstoffzellenblock, der sich auszeichnet durch eine Vielzahl von Elektroden und aus einem Stapel hohler'Zwischenelemente gebildet ist, die zwischen zwei Endelementen gehalten sind, wobei jedes Hohlzwischenelement gebildet wird durch einen dicken Rahmen, Trennwände, parallel zu einer der Seiten des- Rahmens, · welche regelmäßig unter Abstand angeordnet sind, um benachbarte Lager zu begrenzen und durch poröse Platten aus einem elektrisch leitfähigen Material, die senkrecht zu den Trennwänden auf zwei unterschiedlichen Niveaus angeordnet sind, woboi di<; Breite der Platten im we s en ti 1. chen gleich dem Doppelten derjenigen eines Lagers ist und diesf Platten in jedem Lager drei überlagerte Kammern bilden, wobei die Teile der Platten zwischen zwei benachbarten Trennwänden von die Elektroden bildenden Katalysatoren abgedeckt sind und welche elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brennstoff und einem Sauerstoffträger in Anwesenheit eines Elektrolyten zulassen, wobei wenigstens gewisse der Platten zwischen einer Trennwand und dem Rahmen, in dem sie angeordnet sind, bis außerhalb des Brennstoffsellenblockr. durch Stromsammelfahnen oder -lanchen

verlängert sind und im Rahmen mit. den kammern in Verbindung stehende Leitungen ausgespart sind, die die Speisung mit Sauerstoffträger, Brennstoff oder Elektrolyt ermöglichen.

Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform sind die leitfähigen Platten ein und des gleichen Zwischenelements untereinander bezüglich der anderen verschoben oder versetzt.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Zwischenelemente derart angeordnet, daß die leitfähigen Platten eines hohlen Zwischenelementes bezüglich den leitfähigen Platten der benachbarten Elemente versetzt sind.

Nach noch einer weiteren Ausführungsform haben die Trennwände eines hohlen Zwischenelementes eine Höhe, die gleich der Dicke des Rahmens, in dem sie angeordnet sind, ist.

Nach einer Ausführungsvariante haben die Trennwände eine Höhe, die kleiner als die Dicke des Rahmens, in dem sie angeordnet sind, ist und stehen abwechselnd auf die eine oder andere der Rahmenflachen vor.

Zweckmäßig sind die Endelemente Lm wesentlichen plan.

Nach noch einer weiteren Ausführungsform sind die Endelemente hohl und tragen Elektroden auf ein und dem gleichen Niveau.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig.	1
Fig.	2
I¹Ig.	3
Fig.	4
Pig.	5
Pig.	6

_ 7 —

schematisch und perspektivisch einen Zellen-TdIock nach der Erfindung; eine erste Ausführungsform eines Zwischenelements;

den Formvorgang für ein hohles Zwischenelement; einen Schnitt durch einen Brennstoffzellenblock, der mit Zwischenelementen entsprechend Fig. 2 aufgebaiit ist;
eine Draufsicht auf ein Zwischenelement;

wie die zwischen den verschiedenen Elektroden ausgesparten Kammern gespeist sind; und

Pig. 7 im Schnitt einen Zellenblock, der mit einer zweiten Bauart von Zwischenelementen ausgestattet ist; und

Pig. 8 eine andere Ausführungsform von stirnseitigen Platten.

Pig. 1 läßt schematisch und in der Perspektive einen Brennstoffzellenblock nach der Erfindung erkennen, der aus einem Stapel hohler ZwiBohenelemente E aufgebaut ist, die zwischen zwei, stirnseitigen hohlen Elementen T gehalten sind. Diese Elemente sind untereinander über irgend eine bekannte Einrichtung befestigt, beispielsweise mit bei B echematisch dargestellten Bolzen.

Die stirnseitigen Elemente sind mit Sammlern für Sauerstoffträger 9, Brennstoff 10 und Elektrolyt 1'1 versehen. Diese Sammler ermöglichen es jeweils, den Zellenblock mit Säuerstoffträger, Brennstoff und Elektrolyt zu speisen. Stromsammlerfahnen oder -laschen 3a ermöglichen die Herstellung elektrischer Verbindung wie weiter unten gezeigt werden wird, damit der Zellenblock an einen nicht dargestellten elektrischen Kreis die zu seinem Betrieb notwendige elektrische Energie liefert.

Die Anzahl der Elemente E wird vom Techniker als Punktion der elektrischen Charakteristiken, die man für den Zellenblock zu erhalten wünscht, "bestimmt.

Pig. 2 zeigt, teilweise in der Perspektive, teilweise im Vertikalschnitt, eine erste Ausführungsform eines hohlen Elementes E.

Dieses besteht aus einem dicken Rahmen 1 und Trennwänden 2, die zu einer der Seiten des Rahmens parallel verlaufen. Diese Trennwände sind regelmäßig unter Abstand angeordnet; ihre Höhe h ist kleiner als die Dicke H des Rahmens. Beispielsweise und wie Pig. 2 zeigt, ist diese Höhe in etwa gleich zwei Drittel der Dicke H des Rahmens. Diese Trennwände stehen abwechselnd auf die eine und andere der Plächen des Rahmens 1 vor, mit dem sie benachbarte Lager begrenzen.

Die Stromsammlerplatten 3 sind auf zwei unterschiedlichen Niveaus angeordnet, welche durch die Knden der Wandungen bestimmt sind, welche nicht über eine der Plächen des Rahmens vorstehen und begrenzen mit den Trennwänden 2 und dem Rahmen 1 drei übereinander liegende Kammerniveaus. Die Breite der Platten 3 ist im wesentlichen gleich der doppelten Entfernung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wandungen. Gewisse der Platten zwischen einer Wandung 2 und einem der Ränder des Rahmens 1 haben eine Breite, die kleiner als die der anderen .Platten ist und sind nach außen über den Rahmen 1 übe? Strrmsammlerfahnen 3a verlängert, die es ermögliche i, die notwendigen elektrischen Verbindungen herzustellen, wie veiter unten gezeigt werden wird. Die Platten 3 eines Niveaus sind bezüglich den Platten 3 auf dem anderen Niveau ^ersetzt,angeordnet.

Die Platten bestehen aus einer elektrisch leitenden metallischen Folie. Diese Platten 3 sind porös und "bestehen biispielsweise ais einer Streckmetallfolie auf den Teilen ζ asche η zwei au: einanderfolgenden Wandungen; die Platten 3 tragen geeigne" e Katalysatoren, welche die elektrochemischen Reaktionen ermöglichen. Die Abscheidung dieser Katalysatoren wird nach irgend einem an si da .bekannt en geeigneten Verfahren erhalten, das nicht Teil der Erfindung ist und das nicht genau beschrieben werden wird. Die so mit Katalysatorenüberzügen versehenen Platten 3 bilden die Elektroden des Brennstoffzellenblocks.

Die Herstellung der Hohlelemente erhält man durch Formen des den Rahmen 1 bildenden Materials. Als nicht begrenzendes Beispiel für eine Form sei der Schnitt der Fig. 3 angegeben. Sie setzt sich, aus zwei Hauptelementen 101 und 102 zusammen'; ein jedes hiervon kann aus mehreren Teilen bestehen. Die Elektroden 3 werden in die Form eingesetzt und Kämme oder Kerne 103 werden zwischen den Elektroden angeordnet. Diese Kämme sind beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem plastischen Material hergestellt; ihr Querschnitt nimmt ab, wenn sie einer Zugbeanspruchung ausgesetzt sind, wodurch es möglich wird, sie nach Verfestigung des den Rahmen 1 und die Wandungen 2 bildenden Materials aus ihrem Lager herauszuziehen. Auf der Seite, wo die Kämme herausgezogen werden, ermöglicht ein zusätzlicher Formvorgang (nicht dargestellt) den Rahmen 1 auf der zu den Trennwänden senkrechten Seite abzuschließen.

Pig."4 zeigt im Schnitt einen Zellenblock, bestehend aus Hohlelementen wie sie in Fig. 2 gezeigt sind. Man sieht, daß an jedem Ende der Stapel durch ein komplementäres Hohlelement T vervollständigt ist, das nur ein einziges jJlektrodennivea* trägt. Die so gebildete zusammengefügte

- ίο -

Anordnung wird durch irgend eine geeignete Einrichtung, ■beispielsweise Gewindestangen 7 gehalten, die an einigen Stellen den Stapel der Rahmen 1 und der stirnseitigen Elemente T durchsetzen; der Spannvorgang erfolgt über Muttern 8. Man erhält so eine Anordnung aus Kammern, die beispielsweise wie in der Figur gezeigt, gespeist sind, d.h. derart, daß in Richtung des Stapels sich eine Elektrolytkammer zwischen einer Brennstoffkammer und einer Sauerstoffträgerkammer befindet, während in der Richtung senkrecht zum Stapel die Brennstoffkammern mit den Sauerstoffträgerkammern abwechseln und die Elektrolytkammern nur benachbart den Elektrolytkammern liegen.

Hergestellt werden so mehrere Niveaus aus Brennstoffzellenelementen, die elektrisch untereinander über die Elektroden bildende leitfähige Platten 3 verbunden sind, wobei die Sammlerfahnen oder Laschen 3a es ermöglichen, außen die verschiedenen Anordnungen, beispielsweise schematisch bei 9 dargestellter elektrischer Verbindungsstangen zu verbinden.

Die Speisung der verschiedenen Kammern mit Brennstoff, Elektrolyt und Säuerstoffträger wird jeweils durch Kanäle 4, 5 und 6 sichergestellt, die in den verschiedenen Rahmen 1, wie dies Pig. 5 erkennen läßt, ausgebildet sind.

Diene Kanäle stellen eine Verbindung mit den in Fig. 1 freue} Rton Speieenammlern 9, 10 und 11 her.

Vorstehend wurde der Pail einer Brennstoffzelle mit Gas dargelegt, die als Brennstoffwasserstoff (H₂), eine Kaliumlösung (KOH) als Elektrolyt und Wasserstoff (O₂) als Sauerstoffträger verwendete. Dieser Sauerstoff kann durch eine Quelle reinen Sauerstoffs geliefert werden.

Selbstverständlich lassen sich die Sauerstoffträgerkammern mittels vorher, "behandelter Luft speisen. Das heißt die Luft ist vorher entstaubt, dekarboniert etc. So kann auch der flüssige Elektrolyt ersetzt werden durch einen festen Elektrolyten, der in den entsprechenden Kammern der Brennstoffzelle enthalten ist; der Kreis zur Speisung des Zellenbloeks mit Elektrolyten fällt so fort.

Pig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante der Hohlelemente, wonach die Trennwandungen 2 und der Rahmen 1 gleiche Dicke haben.

]?ig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Hohlelemente, wonach die Trennwände 2 die gleiche Höhe wie der Rahmen 1 haben; die versetzte Anordnung der Platten 3 erhält man durch Positionieren von zwei aufeinanderfolgenden Rahmen, die eine gerade Anzahl von Trennwänden 2 aufweisen. In diesem Pail werden die leitfähigen Platten beispielsweise unter einer Entfernung zu den Flächen des Rahmens angeordnet, die im wesentlichen gleich einem Viertel der Dicke des Rahmens ist, wenn die verschiedenen Kammern gleiche Dicke haben sollen.

Die Dichtheit zwischen den Rahmen ist in sämtlichen ··Ausführungsfällen erreicht durch das Anspannen der Rahmen, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer in den Figuren nicht dargestellten Dichtung.

Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres möglich. Wie Pig. 8 zeigt, können die Endplatten oder stirnseitigen Platten T im wesentlichen plan sein und auf eine leitfähige Platte 3 verzichten.

Claims

92502 RUEIL-MALMAISON/jFRANKREICH

Brennstoffzellenblock bestehend aus einem Stapel hohler, Elektroden tragender Elemente

PATENTANSPRÜCHE

Mv Brennstoffzellenblock mit einer Vielzahl von Elektroden, gekennzeichnet durch einen Stapel hohler Zwischenelemente (E), die zwischen zwei Endelementen (T) gehalten sind, wobei jedes Zwischenelement gebildet wird durch einen dicken Rahmen (1), Trennwände (2) parallel zu einer der Rahmenseiten, die zudem unter gleichmäßigem Abstand angeordnet sind, um benachbarte Lager zu begrenzen; und poröse Platten aus elektrisch leitfähigem Material, die senkrecht zu den Trennwänden auf zwei unterschiedlichen Niveaus angeordnet sind, wobei die Breite der Platten im wesentlichen gleich dem Doppelten derjenigen eines Lagers ist, wobei diese Platten in jedem Lager dreißig überlagernde Kammern begrenzen, wobei die Teile der Platten zwischen zwei benachbarten Trennwänden mit Katalysatoren überdeckt sind, welche die Elektroden bilden und elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brennstoff und einem Sauerstoffträger in Anwesenheit eines

Elektrolyten ermöglichen, wobei wenigstens gewisse der

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Platten, die zwischen einer Trennwand und dem Rahmen, in dem sie angeordnet sind, sich "befinden, vom Zellenblock nach außen durch Stromsammlerfahnen oder Laschen (3a) verlängert sind; und durch im Rahmen ausgesparte Leitungen, die mit den Kammern in Verbindung stehen und die Speisung mit Sauerstoffträgerbrennstoff und Elektrolyt ermöglichen.
2. Brennstoffzellenblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die auf ein und dem gleichen Niveau eines Zwischenelementes angeordneten Platten bezüglich denjenigen versetzt angeordnet sind, die sich auf einem unterschiedlichen Niveau im gleichen hohlen Zwischenelement befinden.
3. Brennstoffzellenblock nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Höhe der Trennwandungen im wesentlichen gleich zwei Drittel der Dicke des Rahmens ist und daß diese Trennwandungen derart angeordnet sind, daß eines ihrer Enden abwechselnd auf die eine oder andere der Flächen des Rahmens vorsteht.
4. Brennstoffzellenblock nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Niveaus der leitenden Platten bestimmt sind durch die Enden der Trennwände, die nicht auf einer der !lachen des Rahmens vorstehen.
5. Brennstoffzellenblock nach Anspruch 1 oder 2, ■ dadurch gekennzeichnet ,daß die Trennwände (2) eine Höhe (a) gleich der Dicke des Rahmens (1), in dem sie angeordnet sind, haben.
6. Brennstoffzellenblock nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die leitfähigen Platten unter einer Entfernung zu den Flächen des Rahmens angeordnet sind, die im wesentlichen gleich einem Tiertel von dessen Dicke ist.
7. Brennstoffzellenblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endelemente (T) plane Platten sind.
8. Brennstoffzellenblock nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Endplatten (T) hohl sind und Trennwände (2) entsprechend den Trennwänden der Zwischenrahmen umfassen und daß leitfähige Platten auf ein und dem gleichen Niveau angeordnet sind, -wo "bei diese Platten über eine Breite im wesentlichen gleich der doppelten Entfernung zwischen zwei Trennwänden verfügen und diese Elatten mit geeigneten Katalysatoren auf den Teilen zwischen zwei benachbarten Elektroden bildenden Trennwänden abgedeckt sind.
9. Brennstoffzellenblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenelemente derart angeordnet sind, daß die von einem Zwischenelement getragenen Elektroden bezüglich den von den benachbarten Zwischenelementen getragenen Eleketroden versetzt sind;