DE2620933A1

DE2620933A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE2620933A1
Application number: DE19762620933
Authority: DE
Inventors: Jacques Cheron
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1975-05-12
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1976-11-25
Also published as: FR2311417A1; US4037022A; CH604381A5; JPS51140144A; CA1057818A; BE841639A; GB1504860A; NL7604984A; FR2311417B1; IT1060438B

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere die Art und Weise, wie Kammern in den dichten Brennstoffzellenblöcken begrenzende Platten gehalten werden.

Bekanntlich umfaßt eine Brennstoffzelle einen dichten Zellenblock, in welchem Platten, beispielsweise Elektroden, die drei Arten von Kammern begrenzen, von denen die ersten zur Aufnahme eines Elektrolyten, die anderen zur Aufnahme eines Verbrennungsmittels, insbesondere Säuerstoffträgers,und die letzten zur Aufnahme eines Brennstoffs bestimmt sind,in einer bestimmten Relativlage zueinander gehalten werden müssen, um jeden Kontakt zwischen den benachbarten Platten zu verhindern.

Im allgemeinen sind diese Platten von geringer Dicke. Um darüber hinaus in beachtlicher Weise das Gewicht der Brennstoffzellen zu reduzieren, versucht man, soweit wie

609848/0681

ORIGINAL INSPECTED

möglich, den Abstand zwischen den Platten zu vermindern.

Füllt man in die Kammern flüssige oder gasförmige Produkte ein, so stellen sich, unvermeidlicherweise zwischen den aufeinanderfolgenden Kammern Druckdifferenzen ein, die oft ausreichend sind, um die Platten zu verformen und ungewollte Kontakte hervorzurufen, welche zu elektrischen Kurzschlüssen führen, die für die Brennstoffzelle schädlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert werden, in der

Pig. 1 schematisch im Schnitt einen Plattenstapel eines Brennstoffzellenblocks nach der Erfindung zeigt} und

Pig. 2 eine Ausführungsvariante erkennen läßt.

Pig. 1 zeigt schematisch und im Schnitt eine insgesamt mit 1 bezeichnete Brennstoffzelle.

Diese Zelle umfaßt einen dichten Block 2, in welchem Platten 3, 4, 5 etc.Kammern wie 6, 7 und 8 zur Aufnahme jeweils eines Verbrennungsmittels, eines Sauerstoffträgers und eines Brennstoffs begrenzen. Wenigstens einige dieser Platten, insbesondere die Platten 3 und 4, welche die Elektrolytkammern 7 begrenzen, bestehen aus Elektroden, die durch ein leitfähiges Gitter gebildet sind

609848/0681

und deren eine Fläche von einem Katalysator bedeckt ist, der die elektrochemischen Reaktionen der Brennstoffzelle "begünstigt. Der Zellenblock 2 ist mit nicht dargestellten Öffnungen versehen, welche mit bei 9, 10 und 11 schematisierten Kreisen in Verbindung stehen, um die Kammern des Zellenblocks mit Yerbrennungsmittel, insbesondere Sauerstoffträger (im folgenden kurz "Sauerstoffträger" genannt), mit Elektrolyt oder mit Brennstoff speisen.

Bei dem die Brennstoffzellen speisenden Elektrolyt handelt es sich umeinen flüssigen Elektrolyten, beispielsweise eine flüssige Kaliumhydroxyd-Lösung KOH, während Sauerstoffträger und Brennstoff flüssige Reaktionsmittel (Methanol, Hydrazin-Hydrat)oder gasförmige Reaktionsmittel (reiner Sauerstoff, Wasserstoff,« .) sein können.
Buft

Die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Elektroden sind nicht dargestellt, werden aber in an sich bekannter Weise als !Funktion der elektrischen Charakteristiken der Brennstoffzelle (Spannung und Strom), die man zu erhalten wünscht, hergestellt.

Zn der Praxis, selbst für den Fall, daß in den Zellenblock eingeführter Säuerstoffträger, Elektrolyt und Brennstoff flüssige Stoffe sind, ist es äußerst schwierig, wenn nicht unmöglich, in den verschiedenen Kammern unbedingt gleiche Drücke aufrechtzuerhalten. Jede der Platten wie 3, 4 und 5 ist somit einer Druckdifferenz ausgesetzt und erleidet Verformungen, die um so größer sind, je geringer deren Dicke ist.

Der Abstand zwischen den benachbarten Platten muß also 60984 8/0681

größer sein als die Summe ihrer größten jeweiligen Verformungen, um zu vermeiden, daß sich, im Innern des Blockes nicht Kurzschlüsse einstellen, die für die Brennstoffzelle schädlich sind. Es ist somit unmöglich, den Abstand zwischen den Platten bis auf einen sehr geringen Wert zu vermindern, um etwa den Platzbedarf und das Gewicht der Brennstoffzelle herabzusetzen.

Um diesen Nachteil zu vermeiden , umfassen die Platten des Zellenblocks Gitter aus einem Material, welches, nachdem es dem Einfluß eines magnetischen Feldes ausgesetzt wurde, eine beachtliche magnetische Remanenz beibehält, wie dies beispielsweise bei Stählen, im Handel erhältlichen magnetischen Legierungen etc. der Fall ist, die einen Curie-Punkt aufweisen, der wesentlich höher als die Arbeitstemperatur der Zelle liegt.

Die nach irgendeinem an sich bekannten Verfahren aufmagnetisierten Platten werden,wie Pig. I zeigt, derart angeordnet, daß die sich gegenüberstehenden Flächen der Platten oder Elektroden 3 und 4, welche die Elektrolytkammern begrenzen, unterschiedliche magnetische Polaritäten ( S-N) aufweisen und derart, daß die sich gegenüberstehenden Flächen der die Brennstoffkammern und Sauerstoffträgerkammern begrenzenden Platten gleiche magnetische Polaritäten (2T-H") aufweisen. Vorzugsweise ist ein isolierender Separator,wie er beispielsweise in Fig. 1 bei 12 schematisiert dargestellt ist, zwischen die die Elektrolytkammern begrenzenden Elektroden 3, zwischengeschaltet.

Diese Separatoren können von an sich bekannter Art mit

609848/0681

kontinuierlicher poröser Struktur sein oder können von diskontinuierlicher Struktur sein, um die Zirkulation des Elektrolyten in der Kammer 7 zu ermöglichen. Die Dicke der Separatoren wird gleich dem Abstand gewählt, den man zwischen den Elektroden 3 und 4 aufrechtzuerhalten wünscht.

In den Figuren sind die Abstäande zwischen den Platten, um die Darstellung klarer zu machen, nicht maßstabsgerecht wiedergegeben.

Man erkennt, wie unter dem Einfluß der magnetischen, sich entwickelnden Kräfte die Elektroden 3 und 4 sich anziehen und sich gegen den Separator 9 abstützen, der eine sehr geringe Dicke, beispielsweise in der Größenordnung von 0,1 mm oder weniger,aufweist und jeden elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden 3 und 4 verhindert. Gleichzeitig treten zwischen den die Brennstoff- und Sauerstoffträgerkammern begrenzenden Platten magnetische Rückstoßkräfte auf, die jede Annäherung dieser Platten und damit jeden ungewollten elektrischen Kontakt verhindern.

Die Aufmagnetisierung der Platten wird erhalten, indem man sie in einem Magnetfeld anordnet, dessen eine Komponente in Richtung des Dicke der Platten gerichtet ist.

Die Stärke des magnetisierenden Feldes wird so gewählt, daß die Dauermagnetisierung der benachbarten die Elektrolytkammern begrenzenden Elektroden pro Flächeneinheit Anziehungskräfte dieser Elektroden entwickelt, die wenigstens gleich den in eben diesen Kammern herrschenden

609848/0681

maximalen Drücken sind. Beispielsweise und für Brennstoffzellen handelsüblichen Typs haben die magnetischen Kräfte allgemein einen Wert in der

2 Größenordnung von etlichen 10 Gramm pro cm .

In Pig. 2, bei der es sich um eine Ausführungsform der Erfindung handelt, sind allein die Platten 3, 4 und 5 dargestellt.

Mach dieser Ausführungsform führen die magnetischen Anziehungskräfte zwischen den eine Elektrolytkammer 7 begrenzenden Platten 3 und 4 und die magnetischen Rückstoßkräfte zwischen den eine Brennstoff- oder Sauerstoff trägerkammer begrenzenden Platten 4 und 5 nicht zur vorherigen Magnetisierung der Platten, sondern werden vielmehr durch vorher magnetisierte Dauermagnete 13, die fest mit den Platten, beispielsweise durch Kleben, verbunden sind, entwickelt. Wie Fig. 2 erkennen läßt, haben diese Magnete geringe Abmessungen und eine Dicke, die geringer als die Hälfte derjenigen der Kammer ist, in der sie angeordnet sind. Sie können durch irgendein bekanntes Material mit guten magnetischen Eigenschaften gebildet sein, damit die Anziehungs- und Rückstoßkräfte sich unter den obengenannten Bedingungen einstellen. Man kann handelsübliche magnetische Legierungen, Ferrite, magnetische Partikel enthaltende Gummibänder etc. verwenden. Each dieser Ausführungsform könen die Platten wie 3, 4 und 5 aus einem Material, welches keinerlei erhöhte magnetische Leistungen zeitigt, gebildet sein. Die Magnetform kann die von Bänder, Plättchen etc. sein.

Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres möglich. So ist es beispielsweise im Falle der Fig. 1 möglich, eine Aufmagnetisierung der Platten derart vorzusehen, daß zwei benachbarte beliebige Platten sich anziehen,

803846/0681

und zwar unter der Voraussetzung, daß die magnetischen Anziehungskräfte zwischen zwei Platten wie 3 und 4» zwischen denen ein Separator 12 angeordnet ist, wenigstens gleich oder vorzugsweise größer als die maximale Druckkraft sind, die durch das in dieser Kammer enthaltene Produkt auf diese Platten oder Elektroden 3 und 4 ausgeübt wird.

Im Falle der Mg. 2 können die Magnete 13 einer Platte gegebenenfalls gegenüber den durch die benachbarte Platte getragenen angeordnet sein.

Fach den in den Pig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen werden die Separatoren 12 in den Elektrolytkammern angeordnet und die magnetischen Kräfte sorgen für die Anziehung der die Elektrolytkammern begrenzenden Platten gegeneinander; es ist jedoch auch möglich, die isolierenden Separatoren in einer beliebigen Kammer des Zellenblocks anzuordnen, vorausgesetzt, daß die magnetischen Kräfte die die Kammern begrenzenden Platten gegeneinander ziehen, wobei in diesen Kammern die Separatoren angeordnet sind} und daß sie/die Kammern ohne irgendeinen Separator begrenzenden Platten bezüglich einander zurückstossen.

Man kann auch eine Brennstoffzelle entsprechend einer der oben beschriebenen Ausführungsformen realisieren, für die jedoch allein magnetische Anziehungskräfte zwischen den Platten oder Elektroden auftreten, welche die Kammern begrenzen, in denen die Separatoren angeordnet sind, wobei keinerlei merkliche Abstoß- oder Anziehungskraft auf die die anderen Kammern begrenzenden Platten ausgeübt wird. Eine solche Ausführungsform ist besonders brauchbar, wenn eine Reaktionsmittelkammer (für Brennstoff- oder Sauerstoff träger) von zwei Elektrolytkammern eingeschlossen ist,

609848/0681

ο η ? η q

um im ZellenlDlock eine Aufeinanderfolge von Kammern folgender Art zu realisieren:

Brennstoffkammer; Elektrolytkammer; Sauerstoffträgerkammer etc.

Patentansprüche

609848/0681

Claims

Äffo s1581

1/ Brennstoffzelle mit einem dichten Zellenbloek, welcher Kammern "begrenzende Platten einschließt, von denen einige Kammern zur Aufnahme eines flüssigen Elektrolyten, die anderen zur Aufnahme jeweils eines Brennstoffs und eines Sauerstoffträgers ausgebildet sind und Einrichtungen zum. Speisen des Zellenblocks mit flüssigem Elektrolyten, mit Brennstoff und Sauerstoffträger vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens gewisse der Kammern begrenzende Platten der Wirkung magnetischer Anziehungskräfte ausgesetzt sind, die sich äer Wirkung der Druckkräfte widersetzen, die auf diese Platten durch den Inhalt der Kammer, die sie begrenzen, ausgeübt werden.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch I₅ gekennzeichnet durch mechanische Separatoren bestimmter Sicke, welche zwischen den den magnatischen Anziehungskräften ausgesetzten Platten angeordnet sind.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Platten des Zellenblocks, zwischen denen keinerlei Separator vorgesehen ist, der Wirkung magnetischer Rückstoßkräfte, welche jede Annäherung dieser benachbarter Platten verhindern, ausgesetzt sind.
4. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese magnetischen Anziehungskräfte einen Wer.t aufweisen, der wenigstens gleich dem Wert der maximalen Druckkraft ist, die auf die Platten vom Inhalt der Kammer, welche durch die den magnetischen Anziehungskräften ausgesetzten Platten begrenzt ist, ausgeübt wird.

609848/0681

2S20933

- ίο -
5. Brennstoffseile nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß jede der Platten des Zellenblocks ein Gitter aus einem Material mit einer beachtlichen magnetischen Remanenz- ^Efaßt, welches vorher einem magnetischen leid vorbestimmten Wertes ausgesetzt wurde und eine in Richtung der Dicke dieses Gitters gerichtete Komponente aufweist.
6. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese magnetischen Kräfte durch fest mit den Platten der Brennstoffzelle verbundene Elemente geringer Abmessung hervorgerufen sind, wobei diese Elemente von einem Material beachtlicher magnetischer Remanenz gebildet sind und in ein magnetisierendes 3?sld eingesetzt worden waren,
7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da£ diese Elemente von einer Dicke sind, die kleiner als Gis halbe Dicke der Kammern, in denen sie angeordnet siad₃ ist,

609848/0681