DE1225256B

DE1225256B - Bipolare Elektrode fuer eine Brennstoffbatterie

Info

Publication number: DE1225256B
Application number: DEU6845A
Authority: DE
Inventors: Karl Kordesch; Samuel Henry Steltz Raub; Lawrence James Uline
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1959-01-22
Filing date: 1960-01-21
Publication date: 1966-09-22
Also published as: NL114008C; NL247471A

Description

Bipolare Elektrode für eine Brennstoffbatterie Bipolare Elektroden für Brennstoffzellen, die hauptsächlich aus MetaUen oder Metalloxyden bestehen, sind bekannt. Es ist ferner bekannt, poröse Kohle für Elektroden von Brennstoffelementen zu verwenden. Schließlich ist es bekannt in flache Elektroden zum Einführem der Brenngase oder der Oxydationsgase, Nuten anzubringen, wobei die Nuten der beiden Elektroden rechtwinklig zueinander verlaufen können, Es sind auch schon bipolare Elektroden zur Verwendung in Brennstoffelementen des Wasserstoff-Sauerstoff-Typs vorgeschlagen worden.
Diese Elektroden weisen zwei gesinterte poröse Nickelschichten an einander gegenüberliegenden Oberflächen einer gemeinsamen metallischen Tragplatte auf. Hierbei sind die Nickelschichten in Vertiefungen der Tragplatten angeordnet und weisen an ihren den Tragplatten zugekehrten Seiten eine größere Porenweite auf als an ihren dem Elektrolyten zugekehrten Seiten. Der die Vertiefungen umgehende Randteil der Tragplatte enthält Öffnungen für den Durchtritt der Gase.
Die Erfindung betrifft eine bipolare Elektrode für eine Brennstoffbatterie, die aus zwei flachen, von einem Rahmen gehaltenen porösen, durch eine gasundurchlässige Trennwand getrennten Elektroden mit Gaszuleitungen besteht. Die Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Elektroden in an sich bekannter Weise> aus Kohlenstoff bestehen und daß die Gaszuleitungen für das Brennstoffgas und das oxydierte Gas in je einen Hohlraum zwischen der Trennwand und den porösen Elektroden führen, Der Hohlraum zwischen der Trennwand und der Elektrode wird in an sich bekannter Weise durch Nuten gebildet, die an der Oberfläche der Trennwand oder an der Oberfläche der Elektroden angebracht sein können.
Die Gaszuleitungen und gegebenenfalls die Nuten können etwa parallel zueinander angeordnet sein. In vielen Fällen ist es aber zweckmäßig, sie in einem Winkel zueinander, z. B. senkrecht, anzuordnen.
Bipolare Elektroden gemäß der Erfindung können für die Gewinnung von Strom durch die Umsetzung von Gasen verwendet werden, z. B. durch Oxydation von Wasserstoff oder anderen brennbaren Gasen mit Sauerstoff oder Luft oder für die Umsetzung von Chlor mit Wasserstoff.
Batterien mit Elektroden der beschriebenen Axt können mit verschiedenen Gasdrucken, z. B. von 0,1 bis 10 Atmosphären und bei verschiedenen Temperaturen, z. B. von 20 bis 150' C betrieben werden. Erfmdungsgem4ße Elektroden haben einen niedrigeren inneren Widerstand, Sie eignen sich für flache, aus einzelnen Zellen gestapelte Batterien für einen leistungsfähigen Betrieb bei wedriger Spannung und hoher Stromstärke, Sie können in Nachrichten, anlagen und in ortsfesten oder beweglichen Kraftart# lagen verwendet wrrderi.
Die, flachen, aus Kohlenstoff bestehenden porösen Elektroden können in an sich bekannter Weise hergestellt werden, Man, kann z. B, ein Gemisch aus 100 Teilen Ruß, 63 Teilen Weichpech und 3 Teilen Brennöl formen und dann 6 Stunden lang bei 1000' C brennen. Die so hergestellten Platten haben eine Porosität von etwa 18 bis 20%, Durch mehrständiges Erhitzen der Platten unter Kohlendioxyd auf 850 bis 9501 C kann die Porosität auf etwa 25 1/o erhöht werden, Zur Verbesserung ihrer Wirkung können die Plato ten aktiviert werden. Hierzu bringt man z. B. eine 0,lmolare wäßrige Lösung von Kobaltnitrat und Aluminiumnitrat auf und erhitzt, wobei sich eine Kornplexverbindung aus Kobaltoxyd und Aluminiumoxyd bildet. Eine solche Behandlung ist zwar nur für die Sauerstoffelektrode erforderlich, sie kann aber zur Vereinfachung des Verfahrens auch bei der Wasserstoffelektrode angewendet werden. Die so behandelten Elektroden haben eine Porosität von 30 bis 35 %.
Die Wasserstoffelektrode kann ebenfalls in an sich bekannter Weise durch Aufbringen eines Katalysators, z. B. Platin oder Rhodium, Palladium, Iridium, Ruthenium, Osmanium oder ihrer Gemische sowie Eisen und Nickel aktiviert werden. Man bringt z. B. eine 10%ige wäßrige Lösung von Hexachlorplatinsäure oder Rhodiumtrichlorid auf und erhitzt unter Wasserstoff auf etwa 4000 C. lEerbei schlägt sich der metallische Katalysator in einer Menge von 0,25 bis 8 mg, vorzugsweise 2 mg, je Quadratzentimeter auf der Elektrodenoberfläche nieder.
Man kann auch die Elektrodenoberfläche mit einer porösen Schicht von Natriumcarboxymethylcellulose überziehen, was die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit der Elektrode verbessert.
Die Trennwände zwischen den beiden Elektroden können aus verschiedenen leitenden, gasundurchlässigen Stoffen bestehen, z. B. aus Kohlenstoff, Titan, Stahl oder anderen Metallen.
Zum Betrieb von Batterien mit Elektroden gemäß der Erfindung können die üblichen flüssigen Elektrolyten verwendet werden, etwa wäßrige Lösungen von Alkalihydroxyden bei der Oxydation von Wasserstoff mit Sauerstoff oder Luft oder wäßrige Lösungen von Chlorwasserstoff bei der Umsetzung von Wasserstoff mit Chlor.
Die F i g. 1 und 2 zeigen in Aufsicht und im Querschnitt beispielsweise eine erfindungsgemäße Elektrode. Die einzelnen Teile der Elektrode werden durch einen Rahmen 12 aus Kunststoff zusammengehalten. An jeder Ecke befindet sich ein Loch 14 zur Aufnahme von Bolzen, durch welche mehrere Elektroden zu einer Batterie zusammengefaßt werden. Die Löcher sollen zur Vermeidung eines Kurzschlusses gegen die Batterie isoliert sein. Im Rahmen befinden sich ferner ein Einlaß 16 für Wasserstoff, ein Einlaß 17 für Sauerstoff, ein Auslaß 18 für überschüssigen Sauerstoff und ein Auslaß 19 für überschüssigen Wasserstoff. Der Rahmen enthält ferner zwei weitere öffnungen 21, durch welche der Elektrolyt fließen kann, wenn mehrere Zellen zu einer Batterie verbunden sind. In den Vorsprüngen 20 des Rahmens sitzen die Kohlenstoffanode 24 und die Kohlenstoffkathode 26. Durch die öffnungen 27 steht der im Innern der Elektrode befindliche Elektrolyt mit dem außerhalb der Elektrode befindlichen Elektrolyten 29 in Verbindung. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich die gasundurchlässige metallische Trennwand 28.
Die F i g. 3 zeigt pe'rspektivisch, teilweise weggebrochen, die Elektrode nach den F i g. 1 und 2. Man sieht, daß die Hohlräume 36 zwischen den Elektroden 37, 38 und der Trennwand 39 durch Nuten in den Oberflächen gebildet sind.
Die F i g. 4 zeigt eine Anzahl solcher zu einer Batterie zusammengefaßter bipolarer Elektroden. Sie werden durch die Abschlußplatten 13 und 15 mittels durch die Löcher 14 führender Schraubbolzen zusammengehalten.
Die bipolaren Elektroden brauchen natürlich nicht -viereckig zu sein, sondern können auch kreisförmig ausgebildet sein. Eine weitere Ausführungsform zeigt die F i g. 5. Die Hohlräume 36 zwischen den Elektroden 37, 38 und der Trennwand 39 entstehen hier dadurch, daß die Trennwand wellenförmig ausgebildet ist.
Die F i g. 6 zeigt wieder eine andere Form bipolarer Elektroden. Bei dieser Form verlaufen die Nuten 36 in den der Trennwand 39 zugewendeten Teilen der Elektrode 37, 38 senkrecht zueinander. Eine ähnliche Ausbildung zeigt die F i g. 7, nur daß hier die Nuten 36 an beiden Oberflächen der Trennwand 39 angeordnet sind.
Batterien nach der Erfindung arbeiten sehr günstig, da der innere Widerstand nur klein ist. In einer Batterie mit neuen flachen bipolaren Elektroden nach der Erfindung mit einer Leerlaufspannung von 0,84 V beträgt der innere Widerstand nur , Milliohm. Betreibt man die Batterie mit einer Stromstärke von 1-0 A, so beträgt-die Klemmenspannung 0,83 V, bei einer Stromstärke von 50 A. ist die Klemmenspannung 0,79 V. Der innere Spannungsverlust beträgt also 1,2 bzw.- 6 %.
Dahingegen beobachtet man bei Batterien desselben Volumens mit den üblichen rohrförmigen Kohlenstoffelektroden einen inneren Widerstand von 4 Miffiohm, was bei Stromstärken von 10 bzw. 50 A Klemmenspannung von 0,80 bzw. 0,64 V einem inneren Spannungsverlust von etwa 5 bzw. 34 % entspricht.

Claims

- Patentansprüche: 1. Bipolare Elektroden für eine Brennstoffbatterie, bestehend aus zwei flachen, von einem Rahmen gehaltenen porösen, - durch eine gasundurchlässige Trennwand getrennten Elektroden mitGaszuleitungen,d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß die porösen Elektroden in an sich bekannter Weise aus Kohlenstoff bestehen und daß die Gaszuleitungen für das Brennstoffgas und das oxydierende Gas in je einen Hohlraum zwischen der Trennwand und den. porösen Elektroden führen.
2. Bipolare Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum zwischen der Trennwand und den Elektroden in an sich bekannter Weise durch Nuten in der Trennwand oder in den Elektroden gebildet ist. 3. Bipolare Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitungen und gegebenenfalls auch die Nuten der einen Seite im Winkel zu den Gaszuleitungen und gegebenenfalls auch den Nuten der anderen Seite angeordnet sind. In Betracht gezogene Druckschriften-Deutsche Patentschriften Nr. 648 940, 648 941; britische Patentschriften Nr. 199 736, 723 022; USA.-Patentschriften Nr. 2 175 523, 2 384 463. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1155 494.