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Elektrode für ein Brennstoffelement
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B.nichtleitenden, impermeablen Material und ein Paar von Elektroden auf, die aus einem porösen, relativ nichtleitenden Trägermaterial 2 und einer porösen, relativ gut leitenden Oberfläche 3 bestehen. Diese Elektroden sind in dem Gehäuse 1 in nächster Nachbarschaft der Wände angeordnet und werden in dieser Stellung durch die Abstandsstücke 4,5, 6 festgehalten, wodurch ein Raum 7 für den Brennstoff, ein Raum 8 für den Elektrolyten bzw. ein Raum 9 für das Oxydationsmittel entsteht. Die oberen Abstandsstükke 4,6 weisen Zuleitungen 10, 11 auf, welche die Räume 7, 9 mit Vorratsbehältern für den Brennstoff bzw. das oxydierende Gas verbinden.
Mit diesen oberen Abstandsstücken 4,6 sind auch in der Zeichnung nicht dargestellte Auslassleitungen verbunden, so dass die Gase aus der Zelle abgezogen werden können. Die mit den Elektroden verbundenen Drähte 12, 13 leiten den während des Betriebes der Zelle erzeugten elektrischen Strom einer Energie aufnehmenden Vorrichtung zu.
Zur Inbetriebnahme wird der Elektrolytraum b mlttelh der Utllung 14 mit einem geeignetent. lektro- lyten gefüllt, ein brennbares Gas wird über Leitung 10 in den Raum 7 eingeleitet und ein oxydierendes Gas wird mittels Leitung 11 in den Raum 9 eingeführt. Die sich ausbildende Oberflächenspannung verhindert, dass der Elektrolyt durch die Poren in den Elektroden in die Räume 7 bzw. 9 eindringt. Als brennbares Gas wird vorzugsweise Wasserstoff eingesetzt, doch können auch andere gasförmige Brennstoffe, wie z. B. Methan, Äthan oder Kohlenstoffmonoxyd, verwendet werden.
Man kann auch eine Anzahl von Zellen in Serie schalten, so dass eine wie in Fig. 2 dargestellte Batterie entsteht, gemäss welcher der äussere Behälter 20 in seiner Gesamtlänge durch eine nichtpermeable Wand 21 unterteilt wird, wodurch zwei Einzelzellen entstehenJede Zelle enthält zwei Elektroden 22,23 des oben beschriebenen Typs und diese werden durch Abstandsstücke 24, 25, 26 in ihrer Stellung festgehalten, so dass ein Raum für das brennbare Gas 27, für den Elektrolyten 28 bzw. für das oxydierende Gas 29 entsteht. Die oberen Abstandsstücke 24,26 weisen Zuleitungen 30,31 auf, wodurch die Räume 27, S9 mit Vorratsbehältern für den Brennstoff und das oxydierende Gas verbunden werden. Nicht dargestellte Abzugsleitungen sind gleichfalls mit diesen oberen Abstandsstücken 24,26 verbunden und sie dienen dazu, die Gase aus den Räumen 27,29 abzuleiten.
Während in der Zeichnung nur zwei Zellen dargestellt sind, kann die entsprechende Serienschaltung in beliebiger Weise ausgedehnt bzw. verlängert werden, wobei jede Elektrode mit der benachbarten Elektrode der nächst folgenden Zelle verbunden wird, so dass die einzelnen Zellen in Serie geschaltet werden. Bei einer weiteren Anordnung, die sich von der in Fig. 2 dargestellten unterscheidet, kann die nichtpermeable Zwischenwand 21 auch fortgelassen werden, wobei dann die beiden benachbarten Räume mit dem gleichen Gas (entweder Brennstoff oder Oxydationsmittel) gefüllt werden, während die beiden am andern Ende gelegenen Räume 27,29 dann mit dem zweiten Gas gefüllt und die Elektroden in angemessener anderer Weise miteinander verbunden werden.
In dieser Art lässt sich eine unbeschränkte Anzahl von Zellen Rücken an Rücken hintereinanderschalten, wobei jede Elektrode nicht mit der benachbarten Elektrode, wie in Fig. 2, sondern mit der übernächsten Elektrode verbunden wird.
Jede Elektrode 23 der einen Zelle ist mittels eines Drahtes 32 mit einer Elektrode 22 der benachbarten Zelle verbunden. Der Draht 33, welcher mit jeweils einer Elektrode 22 einer Zelle verbunden ist, dient zusammen mit dem Draht. 34, welcher mit der Elektrode 23 der andern Zelle verbunden ist, dazu, den während des Betriebes in derBatterie erzeugten elektrischen Strom einer Energie aufnehmenden Vorrichtung zuzuführen.
Bei der Inbetriebnahme werden die Elektrolyträume 28 mittels der Öffnungen 35 mit einem geigneten Elektrolyten gefüllt, während gleichzeitig ein brennbares Gas über die Zuleitungen 30 in die Räume 27 und ein oxydierendes Gas über die Zuleitungen 31 in die Räume 29 eingeleitet wird.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, wobei die Zelle aus zweirechtwinkeligen Platten aus rostfreiem Stahl 40, 41 von etwa 6,2 mm Dicke besteht, welche einen kontinuierlichen Vorsprung 42 bzw. 43 aufweisen. Diese Platten 40,41 weisen Einlassleitungen 44,45 auf, über welche der Brenn - stoff bzw. das Oxydationsmittel den Räumen 46,47 zugeführt wird. Weiterhin sind in diesen PlattenAuslassleitungen 48, 49 für den Brennstoff bzw. das oxydierende Gas vorgesehen. In jeder Ecke der Platten 40, 41 sind Bohrungen 50 zur Aufnahme der Schrauben 51 vorgesehen, mittels deren die Zelle unter Verwendung von Muttern 52 zusammengehalten wird. Diese Schrauben 51 und Muttern 52 sind gegenüber den Endplatten 40,41 isoliert.
Die neuen Elektroden bestehen aus einem porösen, nichtleitenden Trägermaterial 53,54 mitporösen leitenden Oberflächen 55,56 welche mit den Vorsprüngen 42,43 der Abschlussplatten 40, 41 in Berührung stehen. Die auf den leitenden Oberflächen 55, 56 der Elektroden angebrachten Drähte 57,58 dienen dazu. den während des Betriebes der Zelle erzeugten elektrischen Strom einer Energie aufnehmenden Vorrichtung zuzuführen. Jede Elektrode weist an ihrem äusseren Umfang eine Dichtung aus Polyäthylen auf, wodurch ein Lecken vermieden wird.
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Zwischen den Teilen aus Trägermaterial 53,54 der Elektroden ist ein Trennstück 59 aus polymeri- siertem Methylmethacrylat von etwa 3, 1 mm Dicke angeordnet, dessen innerer Teil ausgefräst ist, so dass eine Kammer 60 gebildet wird.
Bei der Inbetriebnahme wird die Kammer 60 über die Öffnung 61 mit einem Elektrolyten gefüllt, während Brennstoff über Leitung 44 dem Raum 46 und ein Oxydationsmittel über Leitung 45 demRaum 47 zugeführt wird.
Zwecks Konstruktion einer besonders kompakten Zelle kann aufbeidenOberflächendes gleichen Trä- germaterials eine leitende Schicht aufgebracht werden, so dass eine Doppel-Elektrode entsteht, wobei das
Trägermaterial mit einem Elektrolyten imprägniert wird. Das Brennstoffgas und das Oxydationsmittel kön- nen dann in irgendeiner der oben beschriebenen Formen zur Anwendung kommen. Solche Zellen sind sehr geeignet, um aus mehreren derselben eine Batterie in Art einer Filterpresse zusammenzubauen.
Das während der Reaktion in einer Zelle sich bildende Wasser kann mittels einer Kühlvorrichtung ent- fernt werden, welche mit einer oder beiden Elektroden in Verbindung steht, wobei man ferner dafür sor- gen kann, dass sowohl der Brennstoff als auch das Oxydationsmittel durch die Kühlvorrichtung zirkulie- ren. Auf diese Weise lassen sich sowohl das in der Zelle gebildete Wasser als auch die auftretende Wärme abführen.
Wenigstens ein Teil der erfindungsgemässen Elektrode muss porös sein, so dass die leitende Oberfläche bei Verwendung in einer Zelle sowohl mit dem Elektrolyten in Berührung steht als auch den verwendeten
Brennstoff und das Oxydationsmittel absorbiert. Die leitende Oberfläche kann auch selbst aus einem Ma- terial bestehen, das für die betreffende Elektrodenreaktion als Katalysator wirkt, oder sie kann mit einem entsprechenden Material beschichtet werden. Beispielsweise können Silber, Gold, Palladium, Platin,
Osmium, Mangan, Kupfer, Nickel, Blei und Kohlenstoff als leitendes Material bei einer Wasserstoff-Elektrode zur Anwendung kommen. Das Trägermaterial darf durch den in der Zelle verwendetenElektrolyten nicht angegriffen werden.
Beispielsweise eignet sich hiefür ein im Handel erhältliches mikroporöses Polyvinylchlorid ("Porvic''), ein mikroporöses Polyäthylen oder Polystyrol, gesintertes Glas, Porzellan oder der- artige Stoffe.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Elektrode aus einem mikroporösen elektrisch nichtleitenden Trägermaterial, wie das oben erwähnte"Porvic"mit einem mittleren Porendurchmesser zwischen 3 und 8 u, welches im Vakuum mit einem Silberfilm von 0,01 bis 0, 3/1 Dicke bedampft worden ist. Auf diese Weise wird eine Oberfläche erzeugt, deren Poren etwa dieglc che'Grössewie diejenigen des Trägermaterials haben. Dieser Film wird weiterhin durch elektrolytisch niedergeschlagenes Silber verstärkt, und er wird ferner durch eine Schicht aus elektrolytisch niedergeschlagenem Palladium aktiviert.
Auf die so fertiggestellte Oberfläche kann gegebenenfalls noch eine weitere Schicht Palladiumschwarz von nicht mehr als 0, 05 g/cm2 aufgebracht werden, so dass dann die Gesamtdicke des leitenden Oberflächenfilms zwischen 3 und 4 JJ liegt. Diese Elektroden haben üblicherweise die Form von quadratischen Platten, doch können auch andere Formen, wie runde Platten, verwendet werden.
In Fig. 4 ist eine weitere Elektrodenform dargestellt, wobei die Elektrode in der beschriebenen Weise aus zwei Schichten aufgebaut ist, aber zusätzlich auf der leitenden Oberfläche 62 ein elektrisch lei tendes Gitter mit Rippen 60 und einer äusseren Kante 61 aufweist, welches durch elektrolytische Abscheidung erzeugt worden ist und eine Stärke aufweist, die grösser als diejenige der leitenden Oberfläche ist. Gemäss einer andern Ausführungsform kann das Trägermaterial auch zuerst entsprechend der Gitterform geätzt werden, worauf dann das Gitter durch elektrolytische Abscheidung an den geätzten Stellen auf dem Trägermaterial erzeugt wird. Anschliessend wird dann die leitende Oberfläche in der bereits beschriebenen Weise aufgebracht. In beiden Fällen dient das Gitter zur Verstärkung der Elektrode.
Der auf der leitenden Oberfläche erzeugte elektrische Strom wird durch die Rippen gesammelt, von diesen zu der Kante 61 weitergeleitet und dann durch ein nicht dargestelltes Hilfskabel abgenommen.
Die Elektroden können in Kombination mit einem basischen oder einem sauren Elektrolyten verwen- det werden, z. B. mit Kaliumhydroxyd, dessen Konzentration vorzugsweise etwa 6-normal ist, Natriumhydroxyd oder mit Phosphorsäure, p-Toluol-Sulfonsäure oder einem Salz, wie KaHuincarhjnat oder Kaliumbisulfat. In den vorstehend beschriebenen Zellen kommt ein flüssiger Elektrolyt zur Anwendung. doch ist es auch möglich, Elektrolyten in fester oder halbfester Form zu verwenden. So lässt sich der Elektrolyt mittels eines geeigneten Verdickungsmittels, wie Kieselsäuregel, in eine Art Gallerte überfüh- ren. Anderseits kann man den Elektrolyten auch durch das Trägermaterial der Elektrode absorbieren lassen.
Geschmolzene Salze können gleichfalls als Elektrolyten verwendet werden, beispielsweise Mischun- gen aus Alkalicarbonaten, Erdalkalicarbonaten, Kaliumbisulfat und andern Salzen, wie Alkalihalogeni- de, wodurch sich der Schmelzpunkt erniedrigen lässt.
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Wenn gasförmige Brennstoffe und Oxydationsmittel eingesetzt werden, so können sie der Zelle mit irgendeinem geeigneten Druck zwischen 1 atm und 70 kg/cm 2 zugeführt werden. Die Wirksamkeit der
Zelle verbessert sich mit steigendem Druck und ein bevorzugter Druckbereich liegt daher zwischen 0, 1 und 7,0 kg/cm. Der Gasdruck soll etwa 0, 1-0, 4 kg/cm2 über demjenigen Druck liegen, welchem der Elektrolyt ausgesetzt ist.
Die erfindungsgemässen Elektroden lassen sich innerhalb eines weiten Temperaturbereiches einsetzen, was nur von dem betreffenden Anwendungszweck abhängt. So arbeiten sie beispielsweise sehr gut bei
Zimmertemperatur, -wenn Wasserstoff als brennbares Gas verwendet wird.
Wenn die neuen Elektroden beispielsweise in eine Zelle eingesetzt werden, bei welcher der Elektrolyt aus Natriumhydroxyd oder Schwefelsäure besteht, so kann man diese elektrische Zelle als elektrolytische Zelle zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff verwenden, indem man den Elektroden einen Strom von höherem Potential zuleitet, als in der Zelle selbst erzeugt wird. Die so erzeugten Gase können dann in Vorratsbehältern aufbewahrt werden, um zu gegebener Zeit die gleiche Zelle zur Stromer- zeugung einzusetzen, oder auch für beliebig andere Zwecke. Beispielsweise kann die Zelle dazu dienen, um in Zeiten des Spitzenbedarfes zusätzlich elektrische Energie zu erzeugen, wobei die in andern Zeitperioden gewonnenen Brennstoffe während solcher Spitzenzeiten verbraucht werden können.
Die folgenden Beispiele erläutern die erfindungsgemässen Elektroden.
Beispiel l : Ein Elektrodenpaar, welches aus einem mikroporösen Trägermaterial mit einem mitt leren Porendurchmesser von 3 bis 4 1 bestand, das unter der Handelsbezeichnung "Porvic" erhältlicl1ist und eine elektrisch leitende Schicht von 3 p aufwies, war in einer Zelle gemäss Fig. 3 der Zeichnung angeordnet. Das elektrisch leitende Material bestand aus einer Silberschicht, von 2, 5 u Stärke, welche direkt auf das Trägermaterial aufgebracht war, sowie aus zwei weiteren Schichten aus Palladium und Palladiumschwarz, deren Dicke insgesamt 0, 511 betrug. Als Elektrolyt wurde 6-n Kaliumhydroxyd verwendet, während der Brennstoff aus Wasserstoff bestand und als oxydierendes Gas Sauerstoff eingesetzt wurde.
Wenn diese Zelle bei einer Temperatur von 25 C arbeitete, so erzeugte sie bei einer Spannung von 0, 5 V einen Strom von 0, 027 A Icm2. Bei einer Arbeitstemperatur von 700e erzeugte die Zelle da- gegen bei einer Spannung von 0, 5 V einen Strom von 0,081 A/cm2.
Beispiel 2 ; Es wurden Elektroden der in Beispiel l beschriebenen Art verwendet, bei denen jedoch direkt auf den Silberfilm eine Palladiumschwarz-Schicht von 0, 5 Dicke aufgebracht war, während man die Schicht aus metallischem Palladium fortliess. Die Schicht aus Palladiumschwarz entsprach einer Menge von 0,005 g/cm2.
Bei einer Arbeitstemperatur von 21 C erzeugte diese Zelle bei einer Spannung von 0, S V einen Strom von 0, 022 A/cmL Beispiel 3 : Es wurden die gleichen Elektroden wie in Beispiel 2 verwendet, wobei jedoch Luft an Stelle von Sauerstoff als Oxydationsmittel diente.
Bei einer Arbeitstemperatur von 21 C erzeugte diese Zelle bei einer Spannung von 0, 5 V einen Strom von 0, 022 AI cm2..
Beispiel4 :EineelektrodederinBeispiel1beschriebenenKonstruktionbeiderjedochdieSchicht aus Palladiumschwarz fortgelassen war und die eine wirksame Elektrodenoberfläche von etwa 2 cm2 auf-
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1Trägerschicht der Elektrode und in einem Abstand von dieser verwendet wurde. Der leitenden Oberfläche der Elektrode wurde Sauerstoff mit einem Druck von 0, 21 kg/cm2 zugeführt, während die äussere Oberfläche gleichzeitig mit einem Elektrolyten in Berührung stand, welcher aus einer wässerigen 6-n Kaliumhydroxyd-Lösung bestand. Die andere Zellenhälfte enthielt eine einfache Elektrode in Form eines platinierten Platinstreifens von etwa 3 cm2 Flächenausdehnung, welcher in eine 5 % ige Lösung von Methanol in 6-n wässerige Kalilauge eintauchte.
Unter Verwendung dieser Anordnung als Primärzelle wurde mit der erfindungsgemässen Elektrode als Anode und dem Platinstreifen als Kathode im offenen Stromkreis ein Potential von 0,95 V erzielt. Der Zelle konnte während 5 Stunden bei einer Endspannung von 0, 5V ständig ein Strom von 20 mA entnommen werden.
Nach Beendigung der Stromentnahme zeigte eine Analyse des ursprünglich 5 % Methanol enthaltenden Elektrolyten, dass sich Formaldehyd und ein Formiat gebildet hatte.