DE1671705A1

DE1671705A1 - Batterie aus elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen mit Festelektrolyt

Info

Publication number: DE1671705A1
Application number: DE19671671705
Authority: DE
Inventors: Dr Bohr Franz Josef
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1967-03-18
Filing date: 1967-03-18
Publication date: 1971-09-23
Also published as: SE332472B; CH466387A; GB1165878A; FR1557332A; US3505114A

Description

BROWN, BOVERl & GlE AG MANNHEIM

Mannheim, den 2.3.67 ■ Mp.-lTr. 532/67

Batterie aus elektrisch in leihe geschalteten Brennstoffzellen mit Festelektrolyt

Gegenstand der Erfindung ist eine Batterie aus in leihe geschalteten Brennstoffzellen mit Festelektrolyt, der beidseitig mit Metallelektroden und Stromabnehmern verseilen ist.

Brennstoffzellen dienen bekanntlich zur direkten Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Bei Brennstoffzellen mit Pestelektrolyt, deren Arbeitstemperatur 1000⁰C beträgt, führt man zu diesem Zwecke der einen Elektrode Sauerstoff (in reiner Form oder in Form von luft) und der anderen einen Brennstoff "(z.B. Wasserstoff, Kohlenwasserstoff oder Kohlenmonöxyd) zu. Ber Sauerstoff nimmt an seiner Elektrode Elektronen auf, wandert als zweifach negativ geladenes Ion durch den Festelektrolyten und reagiert an der anderen Elektrode mit dem Brennstoff, z.B. mit Wasserstoff zu Wasser Unter gleichzeitiger Elektronenabgabe. Es baut sich auf diese Weise zwischen beiden Elektroden eine Potentialdifferenz auf, so daß in einem angeschlossenen VerbraucherkreiB ein Strom fließt.

Bei diesen hohen Arbeitstemperatüren, die für eine gute lonenbewegliehkeit der Sauerstoffionen erforderlich sind, treten jedoch bei längerem Betrieb technologische'Schwierigkeiten auf. Hißbildungen der einzelnen Zellen im Elektrolyten führen zum Kurzschluß des Sauerstoff-und des Brennstoffraumes, während sich die väfcuumdichten Verbindungen der keramischen und metallischen Bauteilen lösen. Es wurden deshalb Brennstoffzellen bzw. Batterien vorgeschlagen, die mit Ausnahme der Elektroden und Strom-' abnehmer völlig aus Keramik bestehen und deren Einzelteile mittels Email, Glas oder Keramiklot miteinander gasdicht verbunden sind. Derartige Anordnungen sind -jedoch bruch-uad temperatur-

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Zur Vermeidung dieser technologischen Schwierigkeiten sind Fest-_r elektrolyten bekannt, die zwar eine Arbeitstemperatur von 800 Ö ermöglichen, jedoch eine geringere Ionenbeweglichkeit für Sauerstoffionen aufweisen, die sich außerdem im Laufe der Zeit verschlechtert. Der Innenwiderstand derartiger Brennstoffzellen nimmt deshalb laufend zu. " ,

Es wurde bereits ein Festelektrolyt vorgeschlagen, der auch bei diesen relativ niedrigen Temperaturen seine hohe IonenWweglichkeit für Sauerstoff auf unbegrenzte Zeit beibehält und somit frei von jeglichen Alterungserscheinungen ist.

Zur Behebung der obenerwähnten technologischen Schwierigkeiten bei Metall-Keramik-Verbindungen wurde ein Baustoff vorgeschlagen, der im wesentlichen aus elektrisch isolierendem Filzasbest besteht. Durch Einbringen von dispers verteilten Metallen wird dieser Filz elektrisch leitend und kann beispielsweise als Dichtung und Stromabnehmer dienen.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, unter Heranziehung dieses Baustoffes und des obengenannten Elektrolyten Brennstoffzellen zu Batterien derart zu vereinigen, daß sie die oben dargelegten Nachteile nicht aufweisen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt einer jeden Zelle einschließlich der zugehörigen Metallelektroden scheibenförmig ausgebildet und innerhalb eines isolierenden Filz-Asbest-Ringes unter Herstellung einer Dehnungsfuge angeordnet ist, daß die.Stromabnehmer· als silberimprägnierte Filz-Asbest-Ringe ausgebildet sind, die den isolierenden Fiiz-ÄabWt-Ring einschließlich einer Randzone des Festelektrolyteh dörairt überdecken, daß zusammen mit angeschichteten Metallscheiben; gasdichte Räume beidseitig des Festelektrolyten gebildet werden.

Sämtliche Metallscheiben und Filz-Asbest-Ringe weisen axiale ' und deckungsgleiche Bohrungen für die Haltungsbolssen und die ^;' Zufuhr der Reäktionsgäse auf. Diese Metällscheiben weisen -·~ weiterhin in alternierender Reihenfolge Radialbohrungen auf,' die von den Axialbohrungen für die ReaktionsgaBe zu den Gasräumen abzweigen· Die einzelnen Brennstoffzellen der erfindungsgemäßen

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Batterie sind weiterhin derart geschichtet, daß benachbarte Zellen. ein„e Metallscheibe gemeinsam haben. Zum Zentrieren und gasdichten Verspannen der Batterie sind in den dafür vorgesehenen Bohrungen in Keramikhülsen geführte Schraubbolzen' angeordnet.

Außerdem sind auf der Außenseite der einen Deckplatte Rohre an den betreffenden Axialbohrungen für die Zufuhr der Reaktionsgase angeordnet, während die andere Deckplatte nur Axial-und Radialbohrungen für die Zufuhr der Reaktionsgase in den benachbarten gasdichten Raum aufweist.

Die Fig. 1 gibt ein besonderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie wieder, die mit Wasserstoff und Sauerstoff gespeist wirdi ,>?-=*

Die Pig. 2 zeigt in perspektivischer Sicht die einzelnen Bauteile vor ihrem Zusammenbau.

Die Metallelektroden 4a bzw. 4b auf dem Festelektrolyten 4 sind als poröse Niekel-bzw. Silberschicht nach dem Plasmaspritzverfahren aufgetragen und stehen während des. Betriebes der Batterie mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff in Kontakt. Der scheibenförmige Festelektrolyt 4 ist innerhalb des isolierenden Filz-Asbest-Ringes 3 derart angeordnet, daß eine ringförmige Dehnungsfuge vorhanden ist. Auf beiden Seiten der Festelektrolytscheibe und dieses Asbestringes sind als Stromabnehmer .silberimprägnierte Filz-Asbest-Ringe 2a und 2b angeordnet, deren Innendurchmesser jeweils kleiner als der Durchmesser der Elektrplytscheibe ist. Diese wird auf diese Weise in einer ringförmigen Randzone beidseitig gehaltert, während zugleich der elektrische Kontakt zwischen der Elektrode und dem betreffenden Stromabnehmer gewährleistet ist. Diese- als Stromabnehmer und Dichtung dienenden imprägnierten Filz-Asbest-Ringe bilden mit beidseitig des Festelektrolyten angeschichteten Metallscheiben 1a bzw. 1 oder 1b gasdichte Räume, denen der Wasserstoff b!5W. der Sauerstoff zugeführt werden. Zu diesem Zwecke sind in den Meta-llscheib«!!^,Mhsialbohrungen 11a,14abzw. 12a, 13a mit Radialbohrungen t|t>, 14b_cbzw_% 12b 13b yor^eaäien, die

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in die gasdichten Säume zwischen dem silberiraprägnierten PiIz-Asbest-Bing 2a bzw.. 2b land der Pestelektrolytscheibe münden. Diese Achsialbohrungen 11a, 14a bzw» 12a, 13a sind ebenfalls in den Pilz-Asbest-Seheiben vorhanden, so daß die gasdichten, fiäuiae für das "betreffende Seaktionsgas,. z.B« Wasserstoff "bzw. Sauerstoff, miteinander kommunizierend verbunden sind.

An den Achsialbohrungen 11a, 1#a bzw· 12a, 13a der Deckplatte 1a sind an ihrer Stirnseite Holire 1.1,14 bzw. 12,13 angesetzt, die der Zufuhr und Abfuhr des Wasserstoffes bzw. Wassers und -des Säuerstoffes dienen. Beide Heaktionsgase strömen während des Betriebes der Batterie durch die entsprechenden fiasräuBäe. Me Deckplatte 1b besitzt nur Axial-Taaad fiadialbobxungen 12a, 12b und 13aj 13b, da nur ein Sasraum auf der der Batterie zugewandten Seite vorhanden ist.

Jede Metallscheibe 1 trennt 3.e zwei Bäume voneinander, denen Wasserstoff bzw. Sauerstoff zugeführt werden. Sie stellt gleichzeitig die elektrische Reihenschaltung der einzelnen Brennstoffzellen her.

An den Beckplatten sind in der Pig. 1 nicht eingezeichnete Kontakte für den Verbraucherkreis angebracht. Die Batterie wird mittels der Schraubbolzen 6 und Muttern 7 gasdicht verspannt, die durch die Keramikrohre und -scheiben 8 von den Seilen isoliert sind, so daß kein elektrischer Kurzschluß entsteht.

Die erfindungsgemäSe Batterie zeichnet sich gegenüber den bekannten Anordnungen vor allem dadurch aus, daß die gasdichte Verbindung ihrer Einzelteile mittels Mlz-Asbest-Rihgei vorgenommen wird, die gleichzeitig als Stromabnehmer dienen. Die einzelnen Brennstoffzellen sind auf diese Weise elastisch miteinander verbunden, so daß Beschädigungen durch mechanische Spannungen weitgehend ausgeschlossen sind. Da sie außerdem nicht miteinander verschweißt "sind, kann eine defekte Zelle leicht ausgewechselt werden.

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Claims

— 5 _ Patentansprüche:

1. Batterie aus in Reihe geschalteten Brennstoff25eilen mit Pestelektrolyt, der "beidseitig mit Metallelektroden und Stromabnehmern versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Pestelektrolyt einer jeden Zellen einschließlich der zugehörigen Metallelektroden scheibenförmig ausgebildet und innerhalb eines isolierenden Pilz-Asbest-Ringes unter Bildung einer Dehnungsfuge angeordnet ist, daß die Stromabnehmer als silberimprägnierte Pilz-Asbest-Ringe ausgebildet sind, die den isolierenden Pilz-Asbest-Ring einschließlich einer Randzone des. Pestelektrolyten derart überdecken, daß sie zusammen mit angeschichteten Metallscheiben gasdichte Räume beidseitig des Pestelektrolyten bilden.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Metallscheiben und PiIz-Asbest-Ringe m±t axiale' und deckungsgleiche Bohrungen für die Halterungsbolzen und die Zufuhr der Reaktionsgase aufweisen,

3. Batterie.nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß sämtliche Metallscheiben in alternierender Reihenfolge Radialbohrungen aufweisen, die von den Axialbohrungen für die Reaktionsgase in den Gasräumen abzweigen.

4. Batterie nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine derartige Zellenschichtung, daß benachbarte Zellen eine Metallscheibe gemeinsam haben.

5. Batterie nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bohrungen für das Zentrieren und gasdichte Verspannen in Keramikhülsen geführte Schraubbolzen angeordnet sind.

6. Batterie nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite der einen Deckplatte Rohre an den betreffenden Axialbohrungen für die Zufuhr der Reaktionsgase angeordnet sind und daß die andere Deckplatte nur Axial-und Radialbohrungen für die Zufuhr der Reaktionsgase in den benachbarten gasdichten Raum aufweist*

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