DE2318370C3

DE2318370C3 - Hochtemperatur-Brennstoffbatterie

Info

Publication number: DE2318370C3
Application number: DE2318370A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Citroen SA
Priority date: 1972-04-27
Filing date: 1973-04-12
Publication date: 1981-03-19
Also published as: BE797736A; IT980873B; DE2318370B2; NL7305877A; JPS4949127A; FR2182650B1; GB1377909A; FR2182650A1; US3861959A; DE2318370A1; AR196666A1; ES414105A1

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 ί Wasserstoff und der anderen Elektrode (Kathode) ein als Sauerstoffträger 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-

is 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 Scheibffn, die auf der einen Seite einen zentralen Rohrstutzen und auf der anderen Seite em 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 erwähnten Typs zu schaffen, deren Struktur eine unter Druck bewirkte Stapelung gestattet die gegen die erhöhten Temperaturen der Größenordnung von 800⁰C, bei denen die Batterie Hetrieben wird, widerstandsfähig ist

■»o 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.

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

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-

eo 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 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, was eine Rückführung des Brennstoffes erlaubt

Wie weiter unten anhand von Ausführungsbeispielen 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

F i g. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Brennstoffbatterie;

Fig.2 einen axialen Teilschnitt durch eine zweite Ausführungsform;

Fig.3 einen axialen Teilschnitt durch eine dritte Ausführungsform;

Fig.4 einen axialen Teilschnitt durch eine vierte AusfUhrungsform;

Fig.5 einen axialen Teilschnitt durch eine fünfte AusfQhrungsform;

Fig.6 einen axialen Teilschnitt durch eine sechste Ausführungsform;

Fig.7 einen axialen Teilschnitt durch eine siebte AusfUhrungsform;

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 5 stellen die Kathode und die Anode der Zelle dar. Die Platte 3 besitzt in ihrer Mitte eine öffnung, durch die der J5 Verbindungsträger 2 hindurchgeführt ist, und sie ist koaxial zu diesem Verbindungsträger angeordnet. Die Platte 3 kann beispielsweise ringförmig aber auch rechteckr 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 de- gleichen Art, wie bei der Platte 3 aufweist

Die Platte 3 ist in ihrem äußeren Bereich an der der Trägerp^tte 6 zugekehrten Seite in ihrer Dicke **> reduziert, wodurch zwischen der Trägerplatte 6 und der Anode 5 ein Raum 7 gebildet wird, in dem ein poröser Körper 8 angeordnet ist Die Platte 3 kann beispielsweise durch Sintern !firgestellt werden und weist kalibrierte öffnungen 9 auf, die eine Gewichtsverminderung bevirken 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. &Θ

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

Die verschiedenen 7?IIen 1 sind jeweils voneinander durch elektrisch leitende Zwischenstücke 11 getrennt, die einerseits für eine dichte 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 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 11 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 F i g. 2 stehen die beiu-?n 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 ueiden 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 F i g. 3 ist die Anode 5 punktweise elektrisch mit der Kathode 4' verbunden, wie mit Bezugsziffer 17 ar gezeigt. 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.

F i g. 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 ^Her Elektrode 4 der benachbarten Gruppe von Zellen abstützt. Man kann nach dem gleichen Prinzip Zellen ohne den porösen Körper 8 aufbauen, wenn die einander gegenüberliegenden Platten eben ausgeführt sind und im Abstand von einigen hundertste' Millimetern 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' aui, 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 Zeiie 18 bzw. 18' die Form einer kegelstumpfartigen Scheibe, wobei die einander benachbarten Zellen einmal an der großen Basis und einm"¹ an der kleinen Basis des Kegelstumpfes aneinander anstoßen und einmal am äußeren Rand und einmal im inneren Rand dicht miteinander verbunden sind. Diese Struktur ermöglicht bei der Verbindung der Zellen durch Pressen am besten die Ausnutzung der elastischen Eigenschaften des den Elektrolyten bildenden Materials. Jede Anode 21 oder 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 Verbrennungspro- > -bkte 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 ⁱⁿ 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 25, 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.

Fig. 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 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 ebenen Oberflächen mit einer isolierenden Schicht bedeckt sind.

Die oben beschriebene Doppelzelle kann durch eine Einfach/eile 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

uci ucf LitiMi uijfi aus (.met uuiiiit.il LjVIIIUIIt Lrcatciil.

Jede Zelle weist eine kegelstiimpfartige 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 Kathode 36 oder 36' versehen ist. Die Elektroden sind miteinander verbunden, wie in Fig. 5 dargestellt. Der äußere Rand der kegelstumpfartigcn Scheibe 33 oder 33' ist abgedichtet, um jede Undichtigkeit des Anodenraumes im Hinblick auf die Außenluft zu verhindern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

J. 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
2. Batterie nach Anspruch 1, 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. Bs'terie nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle (18, 18') die Form einer kegelstumpfartigen Scheibe (19, 19') aufweist und die Zellen abwechselnd einmal am äußeren Rand lind 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. Batterie nact. Ansp uch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dip Zellen (3,3') in Gruppen zu zweien angeordnet sind, wi <ei jede Zelle in ihrem lußeren 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 ist, und daß er Öffnungen (10) aufweist, die seinen Innenraum mit dem Innenraum des Stapels verbinden.