DE2318370B2

DE2318370B2 - Hochtemperatur-Brennstoffbatterie

Info

Publication number: DE2318370B2
Application number: DE2318370A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Citroen SA
Priority date: 1972-04-27
Filing date: 1973-04-12
Publication date: 1980-07-17
Also published as: ES414105A1; FR2182650B1; IT980873B; DE2318370A1; AR196666A1; NL7305877A; FR2182650A1; JPS4949127A; GB1377909A; BE797736A; US3861959A; DE2318370C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Brennstoffbatterie mit aufeinander gestapelten Zellen aus scheibenförmigen, sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und darauf angeordneten Elektroden, die durch eine Spannvorrichtung miteinander verbunden und mit Öffnungen zur Zuführung des Brennstoffes versehen sind. Eine derartige Brennstoffbatterie ist bekannt und beispielsweise in der CH-PS 4 44 243 beschrieben,

Bei derartigen Brennstoffbatterien wird jeweils einer Elektrode (Anode) der Brennstoff, beispielsweise

Wasserstoff und der anderen Elektrode (Kathode) ein als Sauerstofftrager dienendes Gas, beispielsweise reiner Sauerstoff oder Luft zugeführt Der Sauerstoff wird an seiner Elektrode ionisiert, durchquert den Elektrolyten als doppelt negativ geladenes Ion und

ίο reagiert mit dem Wasserstoff an der zweiten Elektrode unter Bildung von Wasser, in dem er seine Elektronen an der zweiten Elektrode abgibt

Der feste Elektrolyt wird im allgemeinen durch ein keramisches Material gebildet, beispielsweise Zirkoni-

<s umdioxyd, das geringe Anteile von Ytterbiumoxyd und Yttriumoxyd enthält, zur Erhöhung der Leitfähigkeit bezüglich des Sauerstoffions.

Da die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden einer Zelle gering ist werden die Zellen zu Batterien zusammengefaßt in dem sie gestapelt und unter Druck miteinander verbunden werden.

Bei der obengenannten bekannten Brennstoffbatterie bestehen die Zellen aus zentral durchbohrten, mit Elektroden beidseitig belegten Scheiben, die auf der einen Seite einen zentralen Rohrstutzen und auf der anderen Seite am äußeren Umfang einen erhöhten Rand aufweisen, wobei die Scheiben abwechselnd an den erhöhten Rändern, bzw. an den Rohrstutzen in axialer Richtung aneinandergereiht und mechanisch fest und gasdicht miteinander verbunden sind. Die elektrische Verbindung zwischen den Zellen erfolgt über Drahtverbindungen.

Eine erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, eine Brennstoffbatterie des eingangs

J5 erwähnten Typs zu schaffen, deren Struktur eine unter Druck bewirkte Stapelung gestattet die gegen die erhöhten Temperaturen der Giößenordnung von 800⁰C, bei denen die Batterie betrieben wird, widerstandsfähig ist

■to Eine zweite der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, bei dem erwähnten Typ einer Brennstoffbatterie die Verbindungen zwischen den Zellen ohne die Zuhilfenahme von Drähten zu erreichen, in dem der Kontakt automatisch durch die

*"> unter Druck erfolgende Stapelung bewirkt wird.

Schließlich sollte noch zusätzlich die Aufgabe gelöst werden, eine Brennstoffbatterie des erwähnten Typs zu schaffen, bei der der Zirkulationskreis des Gases automatisch durch die Stapelung bewirkt wird

w Die Lösung der oben erwähnten Aufgaben geschieht erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie sind Gegenstand der Unter-

■>■> ansprüche.

Die Struktur der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie erlaubt eine gleichmäßige Verteilung der thermischen Deformationen, wodurch in hohem Maße schädliche, lokalisierte Deformationen vermieden wer*

w> den.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie kann eines der Enden des rohrförmig ausgebildeten zentralen Verbindungsträgers mit einer Quelle für den Brennstoff verbunden sein. In

^hr> diesem Falle können sich die Verbrennungsprodukte in Richtung nach außen ausbreiten oder, wenn die Zellen miteinander über Dichtungen verbunden sind, in Richtung auf das andere Ende des Verbindungsträgers

hin, WW eine Röckführung des Brennstoffes erlaubt.

Wie weiter unten anband von Ausföhrungsbeispielen näher erläutert, kann der Elektrolyt selbsttragend oder in dünnen Schichten ausgebildet sein.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele einer Brennstoffbatterie gemäß der Erfindung näher beschrieben, In den Zeichnungen zeigt

Fig. I einen Axialscbnitt durch eine erste Ausführungsform einer Brennstoffbatterie;

Fig.2 einen axialen Teilschnitt durch eine zweite Ausfühningsform;

Fig.3 einen axialen Teilschnitt durch eine dritte Ausführungsform;

Fig.4 einen axialen Teilschnitt durch eine vierte Ausführungsform;

Fig.5 einen axialen Teilschnitt durch eine fünfte Ausfuhrungsform;

Fig.6 einen axialen Teilschnitt durch eine sechste Ausführungsform;

Fig.7 einen axialen Teilschnitt durch eine siebte Ausführungsform;

Fig.8 einen axialen Teilschnitt durch eine achte Ausführungsform.

Wie in F i g. 1 dargestellt, ist die Brennstoffbatterie aus einer Reihe von Zellen 1 aufgebaut, die nacheinander auf einen zentralen Verbindungsträger 2 aufgesteckt sind.

Jede der Zellen 1 weist eine Platte 3 aus keramischem Material, beispielsweise aus Zirkoniumdioxyd, das mit Yttriumoxyd oder Ytterbiumoxyd stabilisiert ist, auf. Die Platte 3 bildet den festen Elektrolyten und trägt auf jeder Seite eine Elektrode 4 und 5. Die Elektroden 4 und S stellen die Kathode und die Anode der Zelle dar. Die Platte 3 besitzt in ihrer Mitte eine öffnung, durch die der Verbindungsträger 2 hindurchgeführt ist, und sie ist koaxial zu diesem Verbindungsträger angeordnet Die Platte 3 kann beispielsweise ringförmig aber auch rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein. Die Anode 5 ist auf einer leitenden Trägerplatte 6, beispielsweise aus schwer schmelzbarem Metall, angeordnet, die ebenfalls in ihrer Mitte eine öffnung der gleichen Art, wie bei der Platte 3 aufweist

Die Platte 3 ist in ihrem äußeren Bereich an der der Trägerplatte 6 zugekehrten Seite in ihrer Dicke reduziert, wodurch zwischen der Trägerplatte 6 und der Anode 5 ein Raum 7 gebildet wire/, in dem ein poröser Körper 8 angeordnet ist Die Platte 3 kann beispielsweise durch Sintern hergestellt werden und weist kalibrierte öffnungen 9 auf, die eine Gewichtsverminderung bewirken und den zentralen Raum der Batterie mit dem Raum 7 verbinden.

Der Verbindungsträger 2 ist rohrförmig ausgebildet und dient als Zuführungsleitung für den Brennstoff. Er besitzt an seinem unteren Ende Öffnungen 10.

Im Betrieb wird der Brennstoff der Batterie durch den Verbindungsträger 2 zugeführt und tritt aus den öffnungen 10 aus. Er strömt dann radial in Richtung auf den Raum 7 jeder Zelle ab, und wenn er oxydiert ist, entweicht er nach außen.

Der poröse Körper 8 gleicht das Abströmen der Verbrennungsprodukte aus und verringert durch seine Antiverpbffungswirkung das Explosionsrisiko. Er erleichtert außerdem die Verbindung der beiden Platten 4 und 6.

Die verschiedenen Zellen 1 sind jeweils voneinander durch elektrisch leitende Zwischenstücke 11 getrennt, die einerseits für eine d.chte Verbindung zwischen ihnen sorgen und andererseits den elektrischen Kontakt zwischen der Kathode 4 einer Zelle und der Trägerplatte 6 der benachbarten Zelle sicherstellen. Diese Zwischenstücke 11 können vorteilhaft als elastische Dichtungsringe aus schwer schmelzbarem Metall ausgebildet sein.

Der Verbindungsträger 2 weist an dem der Zuführungsöffnung für den Brennstoff abgewandten Ende einen Endflansch 12 auf, und die Gesamtheit der Zellen 1

ίο ist zwischen diesem Endflansch 12 und einem Halteorgan 13 in Form einer mit einem Flansch versehenen den Verbindungsträger 2 umgebenden Muffe eingespannt, wobei aufgrund der Dichtungsringe U ein elastischer Stapel entsteht Der Flansch 12 und das Halteorgan 13 sind mit Stromableitern 14 verbunden.

Bei den Ausführungsformen nach den F i g. 2 und 3 ist die Trägerplatte 6 durch eine Platte 3' ersetzt, die aus einem festen Elektrolyten besteht und mit zwei Elektroden 4' und 5' versehen ist

Gemäß Fig.2 stehen die beiden Anoden 5, 5' in ihrem mittleren Bereich miteinander im Kontakt und sind elektrisch mit einer ringförmigen, zentral angeordneten, elektrisch leitenden Halterung 15 verbunden, die an der äußeren Oberfläche der Platte 3' angeordnet ist Die beiden Kathoden 4 und 4' sind ihrerseits an ihren äußeren Rändern punktweise elektrisch miteinander verbunden, wie dies mit Bezugsziffern 16 angedeutet ist Die beiden durch die festen Elektrolyten 3 und 3' mit ihren Elektroden gebildeten Zellen sind auf diese Weise elektrisch einander parallel geschaltet

Gemäß Fig.3 ist die Anode 5 punktweise elektrisch mit der Kathode 4' verbunden, wie mit Bezugsziffer 17 angezeigt Weiterhin ist die Anode 5' elektrisch mit einer ringförmigen, zentral angeordneten, elektrisch leitenden Halterung 15 verbunden. Die beiden Zellen sind in diesem Falle elektrisch in Serie geschaltet

Fig.4 zeigt eine Variante der Ausführungsform gemäß F i g. 3, bei der die Zwischenstücke 11 weggelassen sind und sich die zentrale Halterung 15 direkt auf der Elektrode 4 der benachbarten Gruppe von Zellen abstützt Man kann nach dem gleichen Prinzip Zellen c'uie den porösen Körper 8 aufbauen, wenn die einander gegenüberliegenden Platten eben ausgeführt sind und im Abstand von einigen hundertstel Miliimetern angeordnet sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig.5 weist die Batterie ebenfalls eine Reihe von Zellen 18 und 18' auf, die auf den Verbindungsträger 2 aufgesteckt sind und zwischen den Flansch 12 und die Muffe 13 eingespannt sind. Aber diese Zellen sind so angeordnet, daß eine Rückführung des Brennstoffes ermöglicht wird.

Jede Zelle 18 oder 18' weist eine Scheibe 19 oder 19' auf, die den Elektrolyten darstellt und auf welcher die Elektroden 20 und 21 bzw. 20' und 21' angeordnet sind.

Wie aus F i g. 5 ersichtlich, besitzt jede Zelle 18 bzw. 18' die Form einer kegelstumpfartigen Scheibe, wobei die einander benachbarten Zellen einmal an der großen Basis und einmal an der kleinen Basis des Kegelstumpfes aneinander anstoßen und einmal am äußeren Rand und einmal in· inneren Rand dicht miteinander verbunden sind. Diese Struktur ermöglicht bei der Verbindung der Zellen durch Pressen am hesten die Ausnutzung der elastischen Eigensc'.iaften des den Elektrolyten bildenden Materials. Jede Anode 21 oder

b^r> 21' ist mit der Kathode 20' oder 20 der folgenden Zelle verbunden. Zu diesem Zweck sind die mit den Kontaktflächen versehenen Ränder der Scheiben mechanisch bearbeitet und miteinander verbunden, was

auf einfache Weise, beispielsweise durch Diffusionsschweißung erreicht werden kann, wenn die Kontaktflächen metallisiert sind.

Die Scheiben 19 und 19' begrenzen einen gegen den Außenraum isolierten Raum und die Verbrennungsprodukte treten in den ringförmigen Raum zwischen der Muffe 13 und dem Verbindungsträger 2 ein. Die Muffe 13 bildet den positiven Pol der Zelle und der negative Pol kann durch den Flansch 12 gebildet werden.

Bei einer Variante dieser Ausführungsform gemäß Fig.6 dient der Verbindungsträger 2' nicht als Zuführungsleitung für den Brennstoff. Der Flansch 12 ist von öffnungen 22 durchbrochen, zur Zuführung des Brennstoffes und das diesem Flansch gegenüberliegende Ende des Verbindungsträgers 2' ist an einer Platte 23 befestigt, die mit öffnungen 24 für den Austritt der Verbrennungsprodukte versehen ist und an der der Flansch 13, unter Zwischenschaltung einer isolierten Scheibe 23, angeordnet ist

Der Elektrolyt jeder Zelle kann als dünne Schicht, d. h. mit einer Dicke von einigen Mikron ausgebildet sein und kann durch Verdampfung unter Vakuum oder Ablagerung in der Dampfphase hergestellt sein.

F i g. 7 zeigt eine Zelle, die als in Serie geschaltete Doppelzelle ausgebildet ist Eine Anzahl dieser Zellen kann zur Bildung einer Batterie, in der Art wie in F i g. 1 dargestellt, miteinander verbunden werden. Diese Zelle weist einen porösen Stützkörper 27 aus isolierendem Material auf, der in seiner Mitte durchbrochen ist und auf jeder seiner Außenflächen eine Zelle trägt, welche durch eine Anode 28 oder 28', einen dünnen Elektrolyten 29 oder 29' und eine Kathode 30 oder 30' gebildet wird. Die Anode 28 ist mit der Kathode 30' durch eine Brücke 31 verbunden. Ebenso ist die Anode 28' mit einer ringförmigen, zentralen, elektrisch

Ί leitenden Halterung 32 verbunden. Die Elektrolyten 29 und 29' sind dicht ausgeführt, während die Elektroden porös sind.

Der Stützkörper 27 kann eventuell aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, wenn seine

ίο ebenen Oberflächen mit einer isolierenden Schicht bedeckt sind.

Die oben beschriebene Doppelzelle kann durch eine Einfachzelle oder durch eine Doppelzelle in Parallelschaltung ersetzt werden. Im letzteren Fall kann der poröse Stützkörper 27 aus leitendem Material hergestellt sein und bildet direkt die Anode.

F i g. 8 zeigt eine Batterie, die in ihren großen Zügen der in F i g. 5 dargestellten Batterie ähnlich ist, aber bei

u*.i uui Liibniiui/i uua UiIlVi uuiinctl ui.ifn»iit inatuii.

Jede Zelle weist eine kegelstumpfartige Trägerscheibe aus porösem Material 33 oder 33' auf, deren Form der Scheibe 19 und 19' in F i g. 5 entspricht, und die auf ihrer Außenseite mit einer Anode 34 oder 34', einem dichten Elektrolyten in dünner Schicht 35 oder 35' und einer

2) Kathode 36 oder 36' versehen ist Die Elektroden sind miteinander verbunden, wie in Fig.5 dargestellt Der äußere Rand der kegelstumpfartigen Scheibe 33 oder 33' i.·.' abgedichtet, um jede Undichtigkeit des Anodenraumes im Hinblick auf die Außenluft zu verhindern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

I, Hochtemperatur-Brennstoffbatterie mit aufeinandergestapelten Zellen aus scheibenförmigen, sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und darauf angeordneten Elektroden, die durch eine Spannvorrichtung miteinander verbunden und mit Öffnungen zur Zuführung des Brennstoffes versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (1,18,18', 26) in an sich bekannter Weise eine einzige zentrale Bohrung besitzen und die Spannvorrichtung einen einzigen Verbindungsträger (2,2"), dessen Achse die Symmetrieachse der Batterie ist

Z Batterie nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei Zellen (1) oder zwischen je zwei Gruppen von Zellen (26) ein elektrisch leitendes Zwischenstück (11) angeordnet ist, das als elastische Dichtung ausgebildet ist

3. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle (18, 18') die Font» einer kegelstucnpfartigen Scheibe (19, 19') aufweist und die Zellen abwechselnd einmal am äußeren Rand und einmal am inneren Rand dicht miteinander verbunden sind.

4. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß jede Zelle (1) eine Trägerplatte (6) aufweist und in ihrem äußeren Bereich an der der Trägerplatte (6) zugewandten Seite so in der Dicke reduziert ist daß zwischen einer Elektrode (5) und der Trägerplatte (6) ein Raum (7) gebildet wird, der einen porösen Körper (8) enthält.

5. Baue; ic nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Zellen (3,3') in Gruppen zu zweien angeordnet sind, wobei jede Zelle in ihrem äußeren Bereich an der der anderen Zelle der Gruppe zugewandten Seite so in der Dicke reduziert ist, daß zwischen den beiden Zellen ein Raum gebildet wird, der einen porösen Körper (8) enthält

6. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zellen (26) mit einer dünnen Festelektrolytschicht (29,29') in Gruppen zu zweien angeordnet sind, wobei sich zwischen den Zellen der Gruppe ein poröser Stützkörper (27) befindet.

7. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß sich das eine Ende des Stapels an einem Endflansch (12) des zentralen Verbindungsträgers (2, 2') abstützt, während das andere Ende an der Stützfläche eines den Stapel unter Spannung setzenden Halteorgans (13) anliegt, welches den zentralen Verbindungsträger (2, 2') umfaßt und gegen diesen elektrisch isoliert ist.

8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Verbindungsträger (2) rohrförmig ausgebildet ist und mit einer Quelle für den Brennstoff verbunden is*, und daß er Öffnungen (10) aufweist, die seinen Innenraum mit dem Innenraum des Stapels verbinden.