AT393045B - Plattenfoermige duennschicht-h2/o2-brennstoffzelle und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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Description

AT 393 (MSB
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine plattenförmige Dünnschicht-Brennstoffzelle für das System H2/O2 mit plattenförmigen Elektroden, Katalysatoren an den Grenzflächen zwischen Elektroden und einem dazwischenliegenden Elektrolyt, der aus einer Polymer-Elektrodenmembran besteht, Wasserstoffzuleitungen,
Stromzu- und Ableitungen und Randversiegelungen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Brennstoffzellen S und weiters eine Anordnung zur Stromerzeugung mittels derartigen Brennstoffeellen.
Brennstoffeellen wandeln, ähnlich wie Batterien, chemische Energie direkt in Elektrizität um, wobei meistens die Gase Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktanden eingesetzt werden. Der in Brennstoffzellen ablaufende * energieliefemde Prozeß kann daher in erster Näherung als Umkehrung der Wasserelektrolyse angesehen werden.
Brennstoffzellen bestehen aus je einer Elektrode für Wasserstoff und einer für Luft oder Sauerstoff, zwischen 10 denen sich ein ionenleitendes Medium, der Elektrolyt befindet. Eine spezielle Art von Brennstoffzellen sind die *
Polymerbrennstoffeellen, bei denen der Elektrolyt als ionenleitende Kunststoffolie ausgeführt ist. Die Elektroden sind bei dieser Art von Zellen fast ausschließlich aus flexiblen Kohlenstoffgeweben gefertigt, auf die der Katalysator, meist Platinschwarz, aufgebracht und in einem Heißpreßvorgang auf die Kunststoffelektrolytmembran auflaminiert wird. IS Die Membran-Elektroden-Sandwiches (Μ & E) sind flexibel und relativ fragil und werden daher auf beiden Seiten mit Rahmen und Stütz-Endplatten versehen. Eine Einheit, bestehend aus Μ & E, Rahmen und Endplatten wird Einzelzelle genannt. Diese Einzelzellen werden zu Zellenstapeln zusammengesetzt, wobei die einzelnen Zellen durch leitende, mit Kanälen für die Gasversorgung versehene Platten voneinander getrennt sind. Die Versorgung der M & Es mit Wasserstoff und Sauerstoff (Luft) erfolgt über Kanäle. 20 Zellen dieser Art sind Stand der Technik, wurden in der Raumfahrt eingesetzt und werden von mehreren Finnen in Prototyp-Serien hergestellt.
Darüberhinaus sind aus der CH-PS 655 615 und der US-PS 4 215 183 Brennstoffzellen mit einer Ionenaustauschmembran bekannt Ferner ist aus der US-PS 4 175 165 eine elektrochemische Zelle mit einem Feststoffelektrolyt bekannt, der aus einem perforierten Polymer auf Basis von Sulfonsäure besteht 25 Aus der DE-OS 2115 618 sind auch Folien für selbstatmende elektrochemische Zellen bekannt Weiters sind auch in Chemical-Abstracts 89: 132 412 h luftatmende Brennstoffzellen beschrieben. In Chemical-Abstracts 92: 113 446 t und 113 447 u sind Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen mit festen Polymerelektrolyten aufgezeigt
Diese hier beschriebene Ausgestaltung der Zellen macht eine Zuführung der Gase in die Kanäle unter leichtem 30 Überdruck erforderlich, was auf der Wasserstoffseite unproblematisch ist, da das Gas üblicherweise aus Druckflaschen bezogen wird. Auf der Luftseite jedoch ist dies störend, da dann Pumpen benötigt werden. Der Einsatz von solchen Pumpen oder Ventilatoren macht auch den Betrieb von kleinsten Einheiten unwirtschaftlich, da dann der Energiebedarf der Hilfsaggregate im Vergleich zur Zellenleistung unverhältnismäßig groß wird. Bei konventionellen Brennstoffzellen rechnet man daher, daß sie erst ab einer Größe von ca. 1 KW zielführend 35 eingesetzt werden können.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Brennstoffzelle, die erstens selbsttragend ist und ohne aufwendige Rahmen- und Stützplatten gefertigt werden kann, und die zweitens die umständliche Überdruckzuführung für den Sauerstoff vermeidet und die daher drittens sehr einfach in größeren Gruppen angeordnet werden kann. 40 Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel bei einer Brennstoffzelle der eingangs genannten Art erreicht, indem die selbsttragende Anode aus einer an der Zellenaußenseite angeordneten gasdichten Außenplatte und einer daran anliegenden porösen, gasdurchlässigen Innenplatte besteht, zwischen welchen in Ausnehmungen eingesetzte Röhrchen zur Wasserstoffzufuhr vorgesehen sind, die sich vom Mittelbereich der Platten über den Zellenrand hinaus erstrecken, und indem die selbsttragende Kathode aus einer porösen, gasdurchlässigen Platte 45 besteht
Durch die selbsttragende Konstruktion der Zelle kann diese vollkommen ohne Stützrahmen, Seitenplatten etc. aufgebaut werden und ist daher wesentlich wirtschaftlicher heizustellen als die bekannten Lösungen.
Durch den zusammengeschweißten, laminierten Schichtenaufbau ergibt sich eine quasi-monolithische Struktur, die kompakt aufgebaut ist und nicht wie bei den herkömmlichen Zellen durch externe Druckplatten mit 50 Anpreßfedern zusammengehalten werden muß.
Desweiteren hat durch die plattenförmige Ausführung der Kathode aus porösem Material die Umgebungsluft direkt zu dieser großflächig ausgebildeten Luftelektrode Zutritt, wodurch Bau und wirtschaftlicher Betrieb von extrem kleinen Brennstoffeelleneinheiten ab ca. 10 W möglich wird.
Die Anodenaußenplatte besteht bevorzugt aus gasdichtem Graphit, einer gasdichten Metallfolie oder <i 55 gasdichtem, elektrisch leitendem Kunststoff. Ausgezeichnete Leitfähigkeit ist dadurch sichergestellt
Die erfindungsgemäße Zelle eignet sich ebenso zu einer flächigen Gruppierung, warn die Anodenaußenplatte als Printplatte ausgebildet ist, die mehreren nebeneinander flächig angeordneten Brennstoffzellen gemeinsam ist ö und deren Leiterbahnen zur Bildung von Serien- und/oder Parallelschaltungen dieser Brennstoffeellen mit den Anoden- und Kathodenplatten entsprechend verbunden und auf der Printplatte entsprechend angeordnet sind. 60 Auf diese Weise kann ein flaches, raumsparendes Stromaggregat zusammengestellt werden, das eine hohe Leistungsdichte und extrem wirtschaftlichen Betrieb gewährleistet
Das Erfindungsziel kann jedoch bei einer Brennstoffzelle der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß auch -2-
AT 393 045 B dadurch eireicht weiden, daß die selbsttragende Anode aus einer porösen, gasdurchlässigen Innenplatte besteht, in der in Ausnehmungen eingesetzte Röhrchen zur Wasserstoffzufuhr vorgesehen sind, die sich vom Mittelbereich der Platte über den Zellenrand hinaus erstrecken, und daß die selbsttragende Kathode aus zwei porösen, gasdurchlässigen Platten besteht, die zu beiden Seiten der Innenplatte angeordnet sind.
Dies stellt die symmetrische Ausführung der Erfindung dar, bei der die Umgebungsluft von beiden Seiten Zutritt zu der Brennstoffzelle hat und wobei die doppelte Leistung pro Fläche erzielt werden kann. Diese Ausführung kann als Minimalversion einer Brennstoffzelle angesehen werden, da das gesamte Aggregat nur aus den für eine Brennstoffzelle absolut notwendigen Teilen, zwei katalysatorbeschichteten Elektroden und einem Elektrolyt, besteht. Die erfindungsgemäße Zelle kommt daher einer theoretischen Brennstoffzelle am nächsten. Der Herstellungsaufwand dieser Ausführungsform ist extrem gering.
Bei all diesen Formen und Ausgestaltungen der Erfindung können die Anodeninnenplatte aus porösem Graphit, einer porösen Metallfolie oder porösem, elektrisch leitendem Kunststoff und/oder die Kathodenplatte(n) aus porösem Graphit, einer porösen Metallfolie oder porösem, elektrisch leitendem Kunststoff bestehen. Hervorragende Leitfähigkeit bei gleichzeitig großer Porösität ist dadurch gewährleistet.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Elektrodenplatten aus gesintertem, geschäumtem Metall oder aus "glassy carbon", einem geschäumten Glas-Kohlenstoff-Material bestehen.
Der Elektrolyt könnte auch aus einem in einem Netz bzw. Gitter aufgesaugtem Gelelektrolyten bestehen, wobei dieses Netz/Gitter zur Aufnahme von Zug- und Druckkräften dient und durch Laminieren mit den Elektroden verbunden wird, sodaß das quasi-monolithische Design auch mit einem Gelelektrolyt möglich wird.
Das wesentlichste Merkmal bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle liegt darin, daß die katalysatorbeschichtete Kathode, die Elektrolytmembran, die katalysatorbeschichtete Anode und - bei der symmetrischen Zelle - die weitere Elektrolytmembran und weitere Kathode zu einem quasi-monolithischen Laminat zusammengepreßt werden. Dadurch kann der kompakte und störungsunanfällige Aufbau der Zelle einfach und schnell erzielt weiden.
Dabei kann der Katalysator bevorzugt durch Auftropfen, Aufdampfen, CVD, Sputtern, Reduktion von Metallsalzen oder Abfiltrieren von Katalysatorsuspensionen auf die porösen Elektrodenkörper aufgebracht werden.
Gemäß der Erfindung kann das Verfahren auch dahingehend weitergebildet werden, daß die Kathodenplatte(n) aus porösem Graphit mit einer Polytetrafluorethylen-Suspension imprägniert, getrocknet, bei einer Temperatur zwischen 340 und 360 °C gesintert, zur Aufnahme der Katalysatorschicht aufgerauht und gesäubert werden und daß der Katalysator in Form einer Suspension von Platinschwarz und Polytetrafluorethylen in einem Lösungsmittel wie z. B. Wasser, Feinbenzin, Petroleum, Freon od. dgl. auf die Elektrodenoberflächen aufgebracht wird.
Vorzugsweise wird zur Imprägnierung der Kathodenplatte(n) eine Polytetrafluorethylen-Suspension verwendet und zur Aufbringung der Katalysatorschicht eine derartige Suspension im Volumsverhältnis von etwa 3:2 mit Wasser verdünnt und mit Platinschwarz in einem Gewichtsverhältnis von Platinschwarz: Polytetrafluorethylen = 4 :1 bis 50:1 versetzt.
Geeigneterweise setzt man als Elektrolytmembran eine Folie aus sulfoniertem Fluorpolymer ein, die beidseitig aufgerauht, in einem Gemisch von etwa gleichen Teilen 2n HCl und Ethanol gekocht und noch naß eingesetzt wird.
Dann werden die katalysatoibeschichtete Kathode, die feuchte Elektrolytmembran, die katalysatorbeschichtete Anode und - bei der symmetrischen Zelle - die weitere feuchte Elektrolytmembran und weitere Kathode deckend aufeinander gelegt, in eine Alu-Folie gewickelt und in einem Heißpreßverfahren miteinander veipreßt
Dieser Vorgang erfolgt bei einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der Polymermembran, im Falle der Verwendung von NAFION vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 130 °C, und bei eihöhtem Druck von vorzugsweise etwa 130 bar. Die Dauer des Vorganges beträgt nur wenige Minuten.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Stromerzeugung mittels derartiger Brennstoffzellen ist dadurch gekennzeichnet, daß eine mit den Wasserstoffzufuhrröhrchen in Verbindung stehende rezyklierbare Einweg-Wasserstoffpatrone vorgesehen ist, daß eine mit den elektrischen Ableitungen verbundene elektronische Schaltung zur Anpassung des von der Brennstoffzelle gelieferten Stroms an einen Verbraucher vorgesehen ist und daß die freie Seite einer Kathodenplatte der Umgebungsluft ausgesetzt ist.
Eine derartige Anordnung besitzt eine Energiedichte, die weit über jenen der derzeit bekannten Primäibatterien und Akkumulatoren liegt.
Dabei ist die Handhabung besonders praktisch, wenn die rezyklieibare Einweg-Wasserstoffpatrone aus einem Behälter in Art einer Spraydose, Gaskartusche, Sodawasserpatrone oder eines Feuerzeuggas-Nachfüllbehälters besteht, der ein wasserstoffbindendes, mit Wasserstoff beladenes Material enthält.
In der rezyklierbaren Einweg-Wasserstoffpatrone können dabei als wasserstoffbindendes Material hydridbildende Metallegierungen, insbesondere eine Titanlegierung, Zeolithe, keramische Materialien, Aktivkohle oder ein wasserstoffbindender Kunststoff enthalten sein.
Unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, in denen die
Fig. 1 die Bestandteile einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle im voneinander getrennten Zustand,
Fig. 2 eine zusammengebaute, teilweise geschnittene erfindungsgemäße Brennstoffzelle,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, -3-
AT 393 045 B
Fig. 4 eine Serienschaltung erfindungsgemäßer Brennstoffzellen,
Fig. 5 einen Schnitt durch eine zusammengesetzte, sogenannte symmetrische Zelle und
Fig. 6 eine Grundeinheit bestehend aus einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, einer Hydridpatrone, einem Patronenadapter und eventuell einer kleinen elektronischen Steuereinheit zeigt, wird die Erfindung nun näher erläutert
Anode (Wasserstoffelektrode)
Die Wasserstoffseite der Zelle wird in der einfachsten Ausführung, die hier im folgenden beschrieben wird (Fig. 1-3), aus einem gasdichten und einem porösen Graphitplättchen hergestellt. In das gasdichte Graphitplättchen (1) mit einer Größe von 35 x 35 x 0,7 mm werden zwei feine Rillen, 0,5 x 0,5 mm (2) eingefräst In diese Rillen werden Edelstahlröhrchen d = 0,5 mm, 1 = 25 mm (3) so eingeklebt, daß sie ca 10 mm über den Rand des Plättchens überstehen. Auf diese Rückplatte (1) wird dann ein poröses Graphitplättchen (4) mit einer Größe von 32 x 32 mm und einer Dicke zwischen 0,5-1 mm elektrisch leitend und mechanisch schlüssig aufgeldebt und am Rand mit einer Kunststoffmasse (5) gasdicht versiegelt. Handelsübliche Zweikomponentenpolyesterharze eignen sich für diesen Zweck. Nach dem Aushärten des Klebstoffes wird das Anodenlaminat planparallel abgeschliffen und im Ultraschallbad in einer Wasser-Alkohollösung gereinigt.
Kathode (\ .nfteleklrndei
Ein 32 x 32 x 0,5 mm Plättchen aus porösem Graphit (6) wird mit 300 ml einer 2 % wäßrigen Polytetrafluorethylensuspension (FIFE, DuPont Teflon-40N) getränkt, getrocknet und bei 340 °C gesintert. Anschließend wird eine Seite mit Schleifjpapier der Körnung P180 aufgerauht und im Ultraschallbad gesäubert
Katalysator
Die Katalysatoimasse wird durch Mischen von 100 mg handelsüblichem Pt-Schwarz (Engelhard Pt-Black#4), 200 ml Wasser und 300 ml 2 % FIFE-Suspension (DuPont Teflon-40N) hergestellt und im Verhältnis 4:1 auf die aufgerauhten Oberflächen (7a und 7b) von Kathode und Anode aufgetropft und verteilt
Ein Gewichtsverhältnis von Pt: FIFE = 50:1 bis 4 :1 ist vorteilhaft
Abweichend von dieser Herstellung der Elektroden mit Platinschwarz-Katalysator kann der Katalysator auch durch Aufdampfen, CVD, Sputtern, Reduktion von Metallsalzen, Abfiltrieren von Katalysatorsuspensionen u. a. Methoden auf den porösen Elektrodenkörper aufgebracht werden.
Wenn der Katalysator dadurch nicht direkt an der Oberfläche des porösen Graphitplättchens abgelagert wird, sondern in das Innere des porösen Elektrodenkörpers eindringt, so muß dieser mit einer ionenleitenden Substanz, vorteilhafterweise mit 2-10 % der kommerziell erhältlichen Lösung des Membranpolymers (5 % Nafion solution in alcohol Grott Inc), durch Einsaugen, Trocknen und Tempern, imprägniert werden.
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Als Kunststoffelektrolyt (8) wird eine kommerzielle Folie aus sulfoniertem Fluorpolymer (DuPont Nafion 117, Asahi Flemion, Dow Experimental Membrane, u. a.) verwendet. Diese Folie wird durch Naßschleifen auf beiden Seiten aufgerauht, dadurch in der Dicke reduziert und anschließend in einem 1:1 Gemisch aus 2n HCl und Ethanol gekocht Vor dem Zusammenbauen der Zelle wird auf beiden Seiten der direkt der kochenden Flüssigkeit entnommenen Membran ein wenig der kommerziell erhältlichen Lösung dieses Membranpolymers (5 % Nafionlösung, Fa. GROTT) aufgebracht.
Statt der festen Polymermembran können auch gelartige Substanzen verwendet werden. In diesem Fall wird eine elektrisch nicht leitende poröse Folie, z. B. ein PE-Filterpapier oder Netz bzw. Gitter mit dem Elektrolytgel beladen, d. h. alle Poren/Leerraum werden mit dem Gel gefüllt und diese Kompositmembran zwischen die beiden Elektroden laminiert Dabei dient die Stützfolie/Netz/Gitter als Distanzhalter, damit die Elektroden nicht eiddrisch kurzschließen und mechanisch zusammengehalten werden, da das Gel keine Zugkräfte aufnehmen kann.
Zusammenbau
Anodenseite (1-5, 7a), feuchte Membran (8) und Kathodenplättchen (6, 7b) werden deckend aufeinandergelegt in eine Aluminiumfolie eingewickelt und in einem Heißpreßvorgang bei 130 °C, 130 bar für 5 min verpreßt Da das Pressen über der Erweichungstemperatur (Tg) der Polymermembran vorgenommen wird, kriecht das Polymer um die Katalysatorteilchen und in die obersten Poren der Graphitplättchen, wodurch beide Elektroden fest an der Polymerfolie haften und die Zelle eine monolithische Einheit bildet.
In einem weiteren Bearbeitungsschritt werden die überstehenden Kanten der Elektrolytfolie abgeschnitten, die Ränder mit Gießharz (9) versiegelt und elektrische Ableitungen (10,11) aufgeklebt.
Betrieb
Die so gefertigte Zelle ist etwas unter 2 mm dick und so stabil, daß sie ohne Rahmen oder Stützelemente direkt betrieben werden kann. -4-
AT 393 045 B Über eines der beiden eingeklebten Röhrchen (3) wird der Zelle Wasserstoff zugeführt Dieser verteilt sich gleichmäßig durch den porösen Anodenkörper (4) und gelangt zur elektrochemisch aktiven Zone, wo Katalysator/Membran/Graphit in Berührung sind (7a). Der Wasserstoff wird dort in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Protonen wandern durch die Elektrolytmembran (8) zur Kathode (6), während die Elektronen der elektrischen Ableitung (11) entnommen werden können. Auf der Luftseite diffundiert Luft großflächig durch den porösen Kathodenkörper (6) und gelangt zur elektronischen aktiven Zone (7b) an der Membranoberfläche, wo der Sauerstoff mit den Protonen zu Wasser reagiert Dieses Wasser wird über die der Luft ausgesetzte Elektrodenoberfläche als Wasserdampf und mit der vorbeistreichenden Luft abgeführt. Die Elektronen werden über Kabel (10) und Graphit (6) der Reaktionszone (7b) zugeleitet
Beim derzeitigen Entwicklungsstand erreichen die Zellen unter Betrieb bei 20 °C eine Leistung von ca. 30 mW/cm^. Die Zellen wurden unter kontrollierten Bedingungen über 7.000 Std. betrieben.
Bei intermittierendem Betrieb verhalten sich die Zellen ähnlich wie konventionelle Batterien, d. h. sie können jederzeit ein- und ausgeschaltet werden.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die, daß die Zelle selbsttragend, monolithisch und luftatmend ist Selbsttragend bedeutet, daß die Zelle ohne Stützrahmen oder Platten auskommt. Monolithisch bedeutet, daß die Zelle zu einer festen Einheit zusammengeschweißt/laminiert wird, die nicht wie bei üblichen Zellen während des Betriebes durch externe Druckplatten zusammengepreßt werden muß. Luftatmend bedeutet, daß die Zelle den Sauerstoff direkt der umgebenden Luft entnimmt, ohne daß dafür Pumpen oder Ventilatoren nötig sind.
Die Zelle kann in jeder Größe gefertigt werden. Mit den erfindungsgemäßen neuen Brennstoffzellen ergeben sich auch günstige neuartige Verwendungsmöglichkeiten:
Großpanele. Printplatte. Serien/Parallelschaltung:
Brennstoffisellen liefern eine Spannung von 0,6-0,8 Volt Um höhere Modulspannungen zu erzielen werden die Einzelzellen in Serie geschaltet Bei konventionellen Brennstoffzellendesign wird dies durch Stackbauweise, d. h. Aufeinanderstapeln von Einzelzellen erreicht, was den vorher beschriebenen Nachteil hat, daß dadurch der Zutritt der Luft erschwert wird.
Bei der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Plattenzelle können die Zellen auch in Serie geschaltet werden (Fig. 4). Dazu wird statt der leitenden Graphitplatte (1) z. B. eine in der Elektronikindustrie gebräuchliche Printplatte als Rückplatte verwendet (13). Der leitende Belag wird so zu Leiterbahnen (12) gestaltet, daß die Zellen in geeigneter Weise in Serie oder parallel geschaltet sind. Die Wasserstoffzuführung wird über in die Priniplatte eingelegte Röhrchen (3) bewerkstelligt, die in diesem Fall nichtleitend, z. B. aus Kunststoff, sein müssen, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Der Zellenaufbau ist ansonst ident mit dem vorher beschriebenen und besteht aus Anode (4), Membran (8) und Kathode (6).
Die Stromableitung (10) der Kathode wird an den Anodenstromkollektor der nächsten Zelle, das ist die unter der nächsten Zelle angeordnete Leiterbahn (12), angelötet oder geschweißt. Schließlich werden die Spalten zwischen den Zellen mit Gießharz (14) ausgefüllt, sodaß das Modul eine solide Platte wird.
Auf diese Weise wird keine Stapelung der Brennstoffzellen vorgenommen, sondern ein flaches, raumsparendes Aggregat hergestellt
Symmetrische Zellen:
Besonders platzsparend ist das Design, wenn die Kleinbrennstoffzellen auf beiden Seiten einer zentralen Platte aufgebaut werden. Dadurch ergeben sich auch Vereinfachungen bei der Gasführung und Vorteile bei der elektrischen Kontaktierung.
Als weitere Ausgestaltungsvariante (Fig. 5) kann daher direkt auf beide Seiten des porösen Anodenkörpers (4') eine Membran (8') und Luftelektrode (6') auflaminiert werden. Dabei wird der Wasserstoff durch in den porösen Körper eingeklebte Röhrchen (3*) zugeführt, die gleich als Stromableiter dienen.
Kleinststromquelle
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Dünnschichtbrennstoffzellentechnologie in Verbindung mit der erwähnten Einweg-Wasserstoffhydridpatrone. In Verbindung mit einer solchen Kleinstwasserstoffpatrone können nämlich miniaturisierte Stromquellen (Fig. 6) realisiert werden, deren Energiedichte über jenen der derzeit bekannten Primärbatterien und Akkumulatoren liegt (Tabelle 1).
Tabelle 1: Systemparameter von Batterien und dem Brennstoffzellensystem mit Wasserstoffhydridpatrone:
System Wh/kg Wh/Liter ÖS/kWh Ni-Cd 25- 50 70-100 30 alk. Mn02 90-100 200 - 230 1400 Li/SOCl2 300 650 3500 Brennstoffe. 300 1300 20-50 5-

Claims (15)

  1. AT 393 045 B Die in Fig. 6 dargestellte Grundeinheit besteht aus einer Dünnschichtbrennstoffzelle (a), einer Wasserstoffhydridpatrone (b), einem Patronenadapter (c) und einer einfachen elektronischen Einheit (d). Für 45 Watt Leistung wäre die Zelle etwa 20 x 30 cm groß und könnte als Teil eines Gerätegehäuses, z. 6. als Bildschirmrückwand bei Laptopcomputem ausgeführt werden. Für 10 Stunden Betrieb bei 45 Watt hätte die Hydridpatrone ein Volumen von nur 300 cnA PATENTANSPRÜCHE 1. Plattenförmige Dünnschicht-Brennstoffzelle für das System plattenförmigen Elektroden, Katalysatoren an den Grenzflächen zwischen Elektroden und einem dazwischenliegenden Elektrolyt, der aus einer Polymer-Elektrodenmembran besteht, Wasserstoffzuleitungen, Stromzu- und Ableitungen und Randversiegelungen, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttragende Anode aus einer an der Zellenaußenseite angeordneten gasdichten Außenplatte (1) und einer daran anliegenden porösen, gasdurchlässigen Innenplatte (4) besteht, zwischen welchen in Ausnehmungen (2) eingesetzte Röhrchen (3) zur Wasserstoffzufuhr vorgesehen sind, die sich vom Mittelbereich der Platten (1, 4) über den Zellenrand hinaus erstrecken, und daß die selbsttragende Kathode aus einer porösen, gasdurchlässigen Platte (6) besteht.
  2. 2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenaußenplatte (1) aus gasdichtem Graphit, einer gasdichten Metallfolie oder gasdichtem, elektrisch leitendem Kunststoff besteht
  3. 3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenaußenplatte (1) als Printplatte (1') ausgebildet ist, die mehreren nebeneinander flächig angeordneten Brennstoffzellen gemeinsam ist und deren Leiterbahnen zur Bildung von Serien- und/oder Parallelschaltungen dieser Brennstoffzellen mit den Anoden- und Kathodenplatten entsprechend verbunden und auf der Printplatte entsprechend angeordnet sind.
  4. 4. Plattenförmige Dünnschicht-Brennstoffzelle für das System mit plattenförmigen Elektroden, Katalysatoren an den Grenzflächen zwischen Elektroden und einem dazwischenliegenden Elektrolyt, der beispielsweise aus einer Polymer-Elektrodenmembran besteht, Wasserstoffzuleitungen, Stromzu- und Ableitungen und Randversiegelungen, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttragende Anode aus einer porösen, gasdurchlässigen Innenplatte (4') besteht, in der in Ausnehmungen (21) eingesetzte Röhrchen (3') zur Wasserstoffzufuhr vorgesehen sind, die sich vom Mittelbereich der Platte (4') über den Zellenrand hinaus erstrecken, und daß die selbsttragende Kathode aus zwei porösen, gasdurchlässigen Platten (6') besteht, die zu beiden Seiten der Innenplatte (4') angeordnet sind.
  5. 5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodeninnenplatte (4,4') aus porösem Graphit, einer porösen Metallfolie oder porösem, elektrisch leitendem Kunststoff und/oder die Kathodenplatte(n) (6,6') aus porösem Graphit, einer porösen Metallfolie oder porösem, elektrisch leitendem Kunststoff bestehen.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die katalysatorbeschichtete Kathode, die Elektrolytmembran, die katalysatorbeschichtete Anode und - bei der symmetrischen Zelle - die weitere Elektrolytmembran und weitere Kathode zu einem quasimonolithischen Laminat zusammengepreßt werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator durch Auftropfen, Aufdampfen, CVD, Sputtern, Reduktion von Metallsalzen oder Abfiltrieren von Katalysatorsuspensionen auf die porösen Elektrodenkörper aufgebracht wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenplatte(n) aus porösem Graphit mit einer Polytetrafluorethylen-Suspension imprägniert, getrocknet, bei einer Temperatur zwischen 340 und 360 °C gesintert, zur Aufnahme der Katalysatorschicht aufgerauht und gesäubert werden und daß der Katalysator in Form einer Suspension von Platinschwarz und Polytetrafluorethylen in einem Lösungsmittel wie z. B. Wasser, Feinbenzin, Petroleum, Freon od. dgl. auf die Elektrodenoberflächen aufgebracht wird. -6- AT 393 045 B
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Imprägnierung der KathodenpIatte(n) eine Polytetrafluorethylen-Suspension verwendet wird und daß zur Aufbringung der Katalysatorschicht eine derartige Suspension im Volumsverhältnis von etwa 3 : 2 mit Wasser verdünnt und mit Platinschwarz in einem Gewichtsverhältnis von Platinschwarz: Polytetrafluorethylen = 4:1 bis 50:1 versetzt wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Elektrolytmembran eine Folie aus sulfoniertem Fluorpolymer verwendet wird, die beidseitig aufgerauht, in einem Gemisch von etwa gleichen Teilen 2n HCl und Ethanol gekocht und noch naß eingesetzt wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die katalysatorbeschichtete Kathode, die feuchte Elektrolytmembran, die katalysatorbeschichtete Anode und - bei der symmetrischen Zelle -die weitere feuchte Elektrolytmembran und weitere Kathode deckend aufeinander gelegt, in eine Alu-Folie gewickelt und in einem Heißpreßverfahren miteinander verpreßt werden.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verpressen bei ein»’ Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der Polymermembran, im Falle der Verwendung von NAFION vorzugsweise bei ein» Temperatur von etwa 130 °C, und bei erhöhtem Druck von vorzugsweise etwa 130 bar erfolgt
  13. 13. Anordnung zur Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit den Wasserstoffzufuhrröhrchen (3) in Verbindung stehende rezyklierbare Einweg-Wasserstoffpatrone (b) vorgesehen ist, daß eine mit den elektrischen Ableitungen (10,11) verbundene elektronische Schaltung (d) zur Anpassung des von der Brennstoffzelle gelieferten Stroms an einen Verbraucher vorgesehen ist und daß die freie Seite einer Kathodenplatte (6,6') der Umgebungsluft ausgesetzt ist.
  14. 14. Anordnung zur Stromerzeugung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die rezyklierbare Einweg-Wasserstoffpatrone aus einem Behälter in Art einer Spraydose, Gaskartusche, Sodawasserpatrone oder eines Feuerzeuggas-Nachfüllbehälters besteht, der ein wasserstoffbindendes, mit Wasserstoff beladenes Material enthält.
  15. 15. Anordnung zur Stromerzeugung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der rezyklierbaren Einweg-Wasserstoffpatrone als wasserstoffbindendes Material hydridbiidende Metallegierungen, insbesondere eine Titanlegierung, Zeolithe, keramische Materialien, Aktivkohle od» ein wass»stoffbindender Kunststoff enthalten ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -7-
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