DE1157278B - Elektroden fuer Brennstoffelemente - Google Patents

Elektroden fuer Brennstoffelemente

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DE1157278B
DE1157278B DEH32461A DEH0032461A DE1157278B DE 1157278 B DE1157278 B DE 1157278B DE H32461 A DEH32461 A DE H32461A DE H0032461 A DEH0032461 A DE H0032461A DE 1157278 B DE1157278 B DE 1157278B
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DE
Germany
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electrodes
gas
electrolyte
electrode
gases
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Pending
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DEH32461A
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English (en)
Inventor
Dr Phil Josef Heyes
Dr-Ing Wilhelm Anton Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PHIL JOSEF HEYES DR
WILHELM ANTON FISCHER DR ING
Original Assignee
PHIL JOSEF HEYES DR
WILHELM ANTON FISCHER DR ING
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Description

  • Elektroden für Brennstoffelemente Es ist seit langem versucht worden, elektrische Energie aus Gasen, wie Wasserstoff, Kohlenoxyd u. a., durch elektrochemische Oxydation in sogenannten Brennstoffelementen zu gewinnen.
  • Dabei werden sogenannte Gasdiffusionselektroden, aus Metall- oder Kohlepulver hergestellte poröse Körper, benutzt. In einem stromliefernden Element sind mindestens zwei derartige Elektroden vorhanden, die einen gemeinsamen Elektrolyten haben. In eine dieser Elektroden wird das Brennstoffgas, z. B. Wasserstoff, Methan oder Kohlenoxyd, in die andere das Reaktionsga,s, z. B. Sauerstoff oder diesen enthaltende Gasgemische, z. B. Luft, oder Halogene, z. B. Chlor, eingeleitet. Die Umsetzung zwischen dem Gas und dem Elektrolyten geht im Innein der Poren der Elektrode vor sich.
  • Ein bekannter Mangel dieses Verfahrens besteht darin, daß sich im Innern der Elektroden inerte Gase während des Betriebes anreichern können. Dadurch wird der Nachschub des Reaktionsgases behindert oder unterbunden. Da der Weg, die Reaktionsgase völlig von dem Inertgas zu befreien, wirtschaftlich ungünstig erscheint, geht ein bekannter Vorschlag dahin, die in den Elektroden angesammelten Inertgase periodisch in den Elektrolyten zu blasen, indem eine Zeitlang der Gasdruck so sehr erhöht wird, daß die Reaktionsgase die Poren der Elektrode durchströmt. Ein ungleichmäßiges Arbeiten des Elementes läßt sich hierbei naturgemäß nicht ausschalten.
  • Ein weiterer bereits erkannter Mangel der Elektroden besteht darin, daß die Poren ungleichmäßige Querschnitte besitzen. Man hat daher -versucht, durch Maßnahmen besonderer Art Abhilfe zu schaffen; z. B. wurde vorgeschlagen, die aus Metallpulver hergestellten Elektroden in einem galvanischen Bad zu behandeln, um dabei die größeren Poren zu verengen oder die zur Herstellung dienende Form mit möglichst parallel ausgerichteten fadenförmigen Füllkörpern, z. B. Textilfasem (Samt), oder feinen Metalldrähten zu versehen, in die Räume zwischen den Füllkörpern sodann Graphit-, Kohle- oder Metallpulver einzubringen, wie üblich zu pressen und bzw. oder zu sintern und schließlich die Füllkörper zu entfernen. Mit dieser (praktisch nur schwer erreichbaren) Vergleichmäßigung der Poren in den Preß- oder Sinterkörpem soll angestrebt werden, daß nur wenige Poren durch den zu weit eindringenden Elektrolyten verstopft werden und andere zu große, Poren das Gas ungenutzt in den Elektrolyten entweichen lassen.
  • Es ist weiter bekannt, als Elektrode Drahtgeflecht zu verwenden. Dabei soll die Energieerzeugung abhängig sein von der Größe der vom Elektrolyten im Gasbereieb infolge von Oberflächenkräften benetzten Drahtoberfläche, so daß die Energi*,>rzeugung bei großoberflächigen Drähten am günstigsten wäre. Diese Erwägungen und Maßnahmen haben, obwohl sie schon 1938 entstanden sind, bisher in der Forschung und der Praxis keine Rolle spielen können.
  • Bei der sogenannten Knallgaskette, bei der zwei Eisenelektroden in eine Ätznatronschmelze eingetaucht werden, von denen die eine mit Luft, die andere mit Wasserstoff bespült wird, ist es bekannt, der Elektrode die Form einer Tauchglocke zu geben, deren untere, in den Elektrolyten tauchende Fläche mit einem Rost verschlossen ist. Dieser Rost kann die Form einer Bürste, einer R--use, eines Drahtgeflechtes, einer Drahtnetzrolle oder eines Polsters aus Drehspänen haben. Die Luft bzw. der Wasserstoff sollen durch diesen Rost in den Elektrolyten einströmen. Es handelt sich in diesem Falle demnach nicht um eine Elektrode, bei der die Grenzfläche Gas-Elektrolyt im Inneren der Elektrode liegen soll und möglichst kein Gas in den Elektrolyten, einströmen darf.
  • Nach der Erfindung sollen Elektroden für Brennstoffelemente zum Betrieb mit an den Elektroden vorbeigeführten Gasen und mit flüssigen Elektrolyten, welche aus einem gasundurchlässigen Metall mit gleichmäßig offenen Poren bestehen und bei denen die Phasengrenze Gas-Elektrolyt-Elektrode an der elektrolytseitigen Begrenzungsfläche der Elektrode liegt, wesentlich verbessert werden.
  • Eine Art dieser Elektroden besteht im Gegensatz zu den bisherigen gesinteiten, porösen Elektroden aus gasundurchlässigeni Metall mit gleichmäßig großen Durchlaßöffnungen. Dazu wird z.B. von Kapillarröhrchen mit kleinem Innendurchmesser, z. B. 0,01 bis 1 mm, ausgegangen, wie sie für Zwecke der RadiotechmIk auf dem Markt sind. Solche Röhrchen werden zweckmäßig gebündelt und durch Löten oder andere geeignete Maßnahmen so zusammengeschlossen, daß zwischen den einzelnen Kapillaren kein Gas hindurchtreten kann. Die Gase können dann nur im Innern der Kapillaren mit dem Elcktrolyten zusammcnireten. Da die> Kapillaren alle den gleichen Durchmesser haben und sornit auch der Kapillardruck überall den. gleichen Wert aufweist, gelingt es, durch zweckmäßige Gasdruckeinstellung die Grenzfläche Elektrolyt-Gas bis dicht an die clektrolytseitig gelegene Öffnung der Kapillaren zu legen. Hierdurch wird die Diffusion der durch die Umsetzung entstandenen Produkte in den Elektrolyten gefördert. Dies wirkt sich sehr günstig auf Stromdichte der Elektrode aus.
  • Zur Herstellung von brauchbaren Elektroden kann man auch entsprechend dänne Drähte, rund oder profdiert, bündeln, in eine Umhüllung einschließen und die zwischen den Drähten befindlichen Zwischenräume als Kapillaren benutzen.
  • Weiter sind Elektroden Gegenstand der Erfindung, die so hergestellt sind, daß auf die, oben angegebene Weise hergestellte Kapillarbündel in kleine Abschnitte zerschnitten und diese miteinander durch Löten oder andere inetallverbindende Operationen zu einer Kapillarplatte vereinigt wurden.
  • Weiterhin wirderfindungsgemäß vorgeschlagen, die Dicke der Elektroden und damit die Länge der Durchlässe unter 2 mm betragen zu lassen. Vorzugsweise sollen, diese Abmessungen weit unter 2 mm, z. B. bei 0,05 nun, liegen. Solche dünnen Elektroden können z. B. aus feinmaschigen Siebblechen bestehen. -Bei Bedarf können die, Elcktrodenflächen mit zusätzlichen Stromableitern, z. B. in Rippen- oder Maschenform, versehen sein. Die Elektroden können in eine aus leitendem oder nichtleitendem Material hergestelle Kammer eingebettet sein.
  • Solche Siebbleche lassen sich z. B. auf galvanoplastischem Wege in an sich bekannter Weise mit einer Lochgröße von 15 #t und kleiner herstellen.
  • Da die Dicke solcher Elektroden sehr gering g#> halten werden kann, geschieht die, Vereinigung der das Brennstoffelenient speisenden Gase unmittelbar an der Grenze Metall-Flüssigkeit von widerstandserhöhenden Diffusionseflekten ungestört.
  • Bekanntlich erfolgt bei einer Kapillaren, deren eines Ende, in eine Flüssigkeit taucht, deren anderes mit einem Gasraum unter dem Druck P verbunden ist, ein Austritt von Gas in die Flüssigkeit erst dann, wenn der Druck des Gases die Summe aus Flüssigkeitsdruck und dem durch die Formel gegebenen Kapillardruck überschreitet, worin öP den Kapillardruck, a die Oberflächenspannung des Elektrolyten und r den Radius der Öffaung bedeutet. (Diese Formel gilt für Öffnungen rm,*t Kreisquerschnitt, für andere Querschnitte gilt eine entsprechende Formel.) Diese oben angegebene Formel gilt für alle Kapillaren, auch für solche, deren Länge von etwa gleicher Größenordnung wie der Durchmesser wird. Wählt man also den Druck in einer durch eine Siebplatte abgeschlossenen Kammer größer oder gleich dem Flüssigkeitsdruck, so kann er innerhalb der durch den Kapillardruck gezogenen Grenze verändert werden, ohne daß Gas aus der Kammer entweichen oder Flüssigkeit in diese eindringen kann.
  • Diese Anordnung ermöglicht auch eine kontinuierliche Stromgewinnung. Während man bisher genötigt war, von Zeit zu Zeit die sich in den, Kapillaren ansammelnden, den das Brennstoffeleinent speisenden Gasen beigemischten, indifferenten Gase, wie Stickstoff, Argon, Kohlendioxyd u. a., durch Erhöhung des Gasdruckes auszublasen, ist dies jetzt nicht mehr erforderlich, weil man die, zur Umsetzung bestimmten Gase an den Elektroden vorbeiführen kann, wobei das Brenngas zum größeren Teil unter Gewinnung von elektrischer Energie reagiert. Zum kleineren Teil aber wird, -es unter Anreicherung der Inerten aus dem Gasraum abfließen. Dieser Teil kann dann zum Verdampfen des bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehenden Wassers verwendet werden, um dessen Anreicherung im Elektrolyten zu verhindern, oder zur Beseitigung der anderen Reaktionsprodukte im Elektrolyten, wie Kohlendioxyd oder Salzsäure, herangezogen worden. An SteRe von reinem Sauerstoff, wie er bisher in Brennstoffelementen bevorzugt benutzt wurde, um die Erstickung der Kapillaren zu vermeiden, kann man jetzt au-eh Luft verwenden. Es ist auch möglich, die Elektroden in dem gleichen Elektrolyten überemander anzuordnen.
  • In der Abb. 1 ist eine Anordnung zur Erzeugung von elektrischer Energie unter Verwendung von Sieb- platten wiedergegeben.
  • In dem Gefäß A befindet sich der Elektrolyt B, der in diesem Fall aus konz. NaOH besteht. Selbstverständlich können auch andere Elektrolyte verwendet worden.
  • Die Zuleitungen für Sauerstoff und-Wasserstoff G, M führen zu den Gaskammern D, welche mit feinstmaschigen Siebplatten E, die z. B. aus Nickel bestehen, abgeschlossen sind. An Stelle der Siebplatten können auch aus KapillaTbündeln zusammengesetzte Elektrodenplatten treten.
  • Die beiden Gase Sauerstoff und Wasserstoff werden an der Abschlußsiebplatte Ionen bilden, die zu Wasser zusammentreten.
  • Die in den Gasen vorhandenen Inertgase werden durch die Ableitungen F und H zusammen mit -einem Teil des Wasserstoffs bzw. Sauerstoffs abgeführt, wobei die, abfließende Menge durch die Hähne C, und C, gmgelt werden kann.
  • Der in den Siebplatten entstehende Strom wird durch die Leitungen K und L abgefülirt. Die die Gaskammem mit gleicher Gasfüllung abschließenden Siebplatten können elektrisch sowohl hintereinander wie parallel geschaltet werden. Der Elektrolyt kann zur besseren Durchmischung gerührt werden.
  • In der Abb. 2 ist eine weitere, Anordnung dargestellt, die sich von der Iri Abb. 1 gezeigten nur dadurch unterscheidet, daß das Gefäß A in Wegfall gekommen ist und der Elektrolyt B durch ein Rohrsystem N mit Hilfe einer Pumpe P durch die Flüssigkeitskammern R umgepumpt werden kann.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCKE: 1. Elektroden für Brennstoffelernente zum Be,-trieb mit an den Elektroden vorbeigeführten. Gasen und mit flüssigem Elektrolyten, welche aus ein= gasundurchlässigen Metall mit gleichmäßig feinen Poren bestehen und bei denen die Phasengrenze Gas-Elektrolyt-Elektrode an der elektrolytseitigen Begrenzungsfläche deT Elektrode liegt, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Dicke von unter 2 mm aufweisen und auseinem Bündel von Kapillarröhrchen mit Innendurchmessern von 0,01 bis 1 mm oder aus einem Bündel von entsprechend dünnen aneinanderliegenden Drähten unter Benutzung der Drahtzwischenräume als Kapillaren oder aus einem Sieb mit einer Lochweite von 0,015 mm und kleiner besehen.
  2. 2. Elektroden nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf mechanischem bzw. galvanischem Wege hergestellte Sieb eine Dicke von weit unter 2 mm, z. B. 0,05 mm, und Lochquerschnitte von 10-6 bis 10-2 mm2 Flächeninhalt aufweist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche - Patent#chiift Nr. 357 290; deutsche Auslegeschrift Nr. 1021041; USA.-Patentschrift Nr. 2 384 463.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE357290C (de) * 1922-08-21 Emil Baur Dr Knallgaskette mit einer Alkalischmelze als Elektrolyt
US2384463A (en) * 1938-12-06 1945-09-11 Gunn Ross Fuel cell
DE1021041B (de) * 1955-09-05 1957-12-19 Ruhrchemie Ag Verfahren zur Herstellung homoeoporoeser Diffusions-Gaselektroden fuer Brennstoffelemente

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE357290C (de) * 1922-08-21 Emil Baur Dr Knallgaskette mit einer Alkalischmelze als Elektrolyt
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