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Gasdiffusionselektrode
Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode für elektrochemische Generatoren, bestehend aus mindestens einer Kammer mit porösen Wänden und Leitungen.
Das Prinzip der Gasdiffusionselektroden, die mit einer zweiten Elektrode ähnlicher oder verschiedener Art in einem geeigneten Elektrolyten ein Brennstoffelement bilden, ist bereits bekannt.
Diese Elektroden besitzen eine Porosität, die es ihnen gestattet, mit Hilfe des Gases unter einem bestimmten Druck den Kapillarkräfte des Elektrolyten das Gleichgewicht zu halten und auf diese Weise im Inneren der Elektrode ein Dreiphasensystem zu bilden.
Die technologischen Probleme, die die Realisierung einer Gasdiffusionselektrode für ein Brennstoffelement aufwirft, sind zahlreich und komplex. Unter anderem ist das Problem der Versorgung jeder Elektrode mit Gas zu erwähnen, bei welchem das Gas bei der Elektrode unter einem bestimmten Druck ankommt, und das Problem der Entnahme oder der Zuführung des elektrischen Stromes, je nachdem ob die Zelle als Brennstoffzelle oder als Elektrolysezelle arbeitet.
Ausserdem muss man Mittel zur Dichtung vorsehen, solche wie Fugendichtungen, Flanscheod. ähnl., um jegliches Entweichen von Gas in die Atmosphäre zu vermeiden, was jedoch das Gewicht der Zelle erhöht.
Schliesslich ist es notwendig, da die Elektrode eine genügend grosse mechanische Widerstandsfestigkeit aufweisen muss, diese genügend dick auszubilden, was eine weitere Ursache für die Gewichtszunahme der Brennstoffzelle darstellt.
Die Erfindung hat den Zweck, eine Elektrode für eine Brennstoffzelle zu schaffen, bei welcher die vorgenannten Probleme auf einfache und wirksame Art gelöst wird.
Durch die franz. Patentschrift Nr. l. 343. 450 ist bereits eine Elektrode der genannten Art bekanntgeworden, doch bestehen die feinporigen Überzüge, die aktive Wände bilden, und der Rahmen, der an diesen Wänden befestigt ist, sowie der gasdurchlässige Träger aus verschiedenen Materialien. Demzufolge ist diese bekannte Elektrode gegen Temperaturänderungen nicht widerstandsfähig, weil die verschiedenen Materialien verschiedene Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Erfindungsgemäss sind im Inneren der Kammer eine oder mehrere Stützscheiben angeordnet, deren Stärke der Tiefe der Kammer entspricht und die sich an zwei Wänden der Kammer abstützen und einen einheitlichen Bauteil mit diesen Wänden bilden, wobei die Stützen und die Wände der Kammer aus dem gleichen Material bestehen.
Abgesehen von der Widerstandsfestigkeit gegen Temperaturänderungen ist die erfindungsgemä- sse Elektrode auf ihrer gesamten Oberfläche aktiv. Darüber hinaus kann längs der die Wände vereingenden Verbindungen keinerlei Gas entweichen.
Das Material, aus welchem die porösen und leitenden Wände der genannten Elektrode aufgebaut sind, ist vorteilhafterweise jenes, welches in der österr. Patentschrift Nr. 256953 beschrieben ist.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kammer aus zwei Platten gebildet, die an ihrem
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Umfang vereinigt sind und wobei für die Gaszufuhr und die Abführung der Umsetzungsprodukte ein Metallrohr vorgesehen ist, das mit der Elektrode verschweisst ist und in das Innere der Kammer mündet.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand derZeichnungen, indeneneinigeAusfüh- rungsbeispiele dargestellt sind.
Fig. l zeigt die Ansicht einer kreisförmigen Elektrode gemäss der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 2 einen Schnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Elektrode, Fig. 3 die Ansicht einer andern Ausführungsform der kreisförmigen Elektrode nach der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 4 einen Schnitt durch die in Fig. 3 gezeigte Elektrode und Fig. 5 schematisch eine Anordnung von Elektroden, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, in Parallelschaltung.
Die in Fig. 1 dargestellte Elektrode ist aus zwei kreisrunden Scheiben --1- aufgebaut, die an ihrem Umfang durch eine leitende Fugenverbindung-6-derart verbunden sind, dass eine innere Kammer ausgespart ist.
Das Gas wird mit dem gewünschten Druck über eine Rohrleitung-3-, die vorzugsweise aus Metall besteht und welche bei --2-- an den Elektrodenkörper angeschweisst ist, der Kammer zugeführt. Das Rohr dient ausserdem der Leitung des elektrischen Stromes, der im Inneren, der Elektrode erzeugt wird, wenn die Elektrode in einem Brennstoffelement arbeitet, oder der der Elektrode zugeführt wird, wenn die Elektrode in einer Elektrolysezelle verwendet wird.
Die Fugenverbindung, die die beiden kreisförmigen Scheiben an ihrem Umfang vereinigt, muss elektronenleitend sein und ausserdem muss sie eine Dichtigkeit gegenüber demD ruck des Gases und jenem des Elektrolyten aufweisen, welche derjenigen der kreisrunden Scheiben ähnlich ist, so dass jedes Aufblasen bzw. jede Kernbildung der Elektrolyten vermieden wird.
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besteht aus einem metallischen, nicht porösen Material, das auch durch den beim Aufbau einer Zelle verwendeten Elektrolyten nicht angreifbar ist. Es kann beispielsweise aus Nickel oder einer Nickelle- gierung, aus Silber oder einer Silberlegierung bestehen.
Erfindungsgemäss sind in der inneren Kammer eine oder mehrere Stützscheiben angeordnet, deren Stärke der Tiefe der Kammer entspricht und sich an zwei Wänden der Kammer --4-- abstützen und die einen einheitlichen Bauteil mit diesen Wänden bilden, wobei die Stützen -5-- und die Wände der Kam- mer 4-- aus dem gleichen Material bestehen. Die Stützscheiben verstärken beträchtlich die mechanische Widerstandsfähigkeit der Elektroden und verursachen dabei nur einen geringen Verlust an aktiver Oberfläche der Elektroden.
Die Fig. 2 zeigt eine Elektrode mit einer zentralen Stützscheibe --5- im Schnitt als Beispiel.
Diese Stützscheibe befindet sich in der Mitte der inneren, durch die beiden kreisförmigen Scheiben und
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Wenn man mehrere Elektroden, z. B. in Parallelschaltung, zusammenbaut, wird gemäss einer Weiterbildung der Erfindung auf einer der äusseren Flächen der Elektrode ein Bauelement angeordnet, das als
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Vorzugsweise besteht das Bauelement aus einer Stützscheibe und ist im Zentrum der äusseren Oberfläche der Elektrode angeordnet. Diese Stützscheibe kann durch irgendein geeignetes Mittel, z. B. durch Aufkleben oder durch Abformen bei der Herstellung der Elektrode., angebracht sein.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine perspektivische Darstellung bzw. eine Ansicht im Schnitt einer Elektrode gemäss der Erfindung, die der in den Fig. l und 2 dargestellten Elektrode ähnlich ist und ein äusseres Abstandselement --7-- aufweist.
Für die Dicke des Abstandselementes --7- kann man als Beispiel 0, 5-2 mm angeben.
Das äussere Abstandselement --7- erlaubt, die Elektroden in einem gewissen Abstand voneinander zu halten, wenn sie beispielsweise in einer Parallelschaltung nebeneinander gesetzt sind, so dass jeder Kurzschluss zwischen ihnen vermieden wird.
Ausserdem gewährleistet das Abstandselement beim Auseinandernehmen und beim Wiederzusammensetzen einer Anordnung mit mehreren nebeneinanderliegenden Elektroden einen konstanten Abstand zwischen den verschiedenen Elektroden.
Die Fig. 5 zeigt schematisch eine Anordnung von Elektroden-21, 22, 23-.... usw. gemäss der
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nung in dem Behälter --8-- beisammen zu halten.
Die metallischen Rohre der ungeradzahligen Elektroden--21, 23,25, 27-.... usw. sind mit einem Hauptrohr-11-- verbunden, das die Zufuhr von oxydierendem Gas zu den Elektroden, beispielsweise Sauerstoff, ermöglicht und welches gleichzeitig als Leiter für den elektrischen Strom dient ; die metallischen Rohre der geradzahligen Elektroden--22, 24, 26, 28-.... usw. sind mit einem Hauptrohr - verbunden, welches die Zufuhr eines brennbaren Gases zu den Elektroden, beispielsweise Wasserstoff, ermöglicht und welches gleichermassen als elektrischer Leiter fungiert.
Die erfindungsgemässen Anordnungen, die sich auf eine Elektrode einer einzigen Polarität beziehen, können auch auf bipolare Elektroden angewendet werden.
Die Elektroden gemäss der Erfindung sind mit Vorteil verwendbar für die Herstellung von elektrochemischen Generatoren, wie Brennstoffzellen, u. zw. auf Grund ihrer einfachen Technologie und ihres geringen Gewichtes.
Die Herstellung der Elektroden erfolgt im allgemeinen gemäss der österr. Patentschrift Nr. 256953.
Gemäss einer Ausführungsform bringt man das Aufbaumaterial für eine der Wände der Elektrode, insbesondere in Pulverform, in eine Pressform ein, bedeckt diese sodann mit einer Substanz, die sich beietwas erhöhter Temperatur zersetzt, wie z. B. Ammoniumbikarbonat, mit Ausnahme der Bereiche, die den Stützscheiben entsprechen, und einem peripheren Kreisring, welchen man mit dem Aufbaumaterial der genannten Wand entsprechend der gewünschten Dicke bedeckt. Sodann ordnet man das Aufbaumaterial der zweiten Elektrodenwand an und gegebenenfalls auch das äussere Abstandselement, letzteres vorzugsweise in Gestalt einer vorgeformten Stützscheibe.
Anschliessend wendet man die Druck- und Sinterbehandlung nach der bereits genannten österr. Pa- tenschrift Nr. 256953 an.
Während der thermischen Behandlung zersetzt sich der zwischen den beiden Wänden eingebrachte Körper, wie z. B. Bikarbonat, und die bei der Zersetzung entstehenden Gase entweichen durch die Poren des die Elektrode bildenden Materials, wodurch sich eine innere Kammer bildet.
Sodann bringt man das dem Transport des Gases und des elektrischen Stromes dienende Metallrohr an.
Gemäss einer Ausführungsform bohrt man am Umfang derElektrode ein Loch, um das Einführen eines Metallrohres bis ins Innere der Kammer zu ermöglichen, und schweisst dieses Rohr am Umfang der Elektrode durch irgendein geeignetes Verfahren an, wie z. B. mittels elektrischer Punktschweissung, Schweissung durch Elektronenbeschuss oder Autogenschweissung.
Die Erfindung erstreckt sich auf Elektroden beliebiger Gestalt und beliebiger Grösse. Im Falle von Elektroden mit grossen Oberflächen kann man auf einer äusseren Fläche der Elektrode auch mehrere Abstandselemente anordnen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gasdiffusionselektrode für elektrochemische Generatoren, bestehend aus mindestens einer Kam-
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mer (4) eine oder mehrere Stützscheiben (5) angeordnet sind, deren Stärke der Tiefe der Kammer (4) entspricht und die sich an zwei Wänden der Kammer (4) abstützen und einen einheitlichen Bauteil mit diesen Wänden bilden, wobei die Stützen (5) und die Wände der Kammer (4) aus dem gleichen Material bestehen.
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