DE1239375B - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffelementes und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

)EUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIm

Deutsche Kl.: 21 b -14/01

Nummer: 1 239 375

Aktenzeichen: S 81412 VI b/21 b

Anmeldetag: 12. September 1962

Auslegetag: 27. April 1967

Man unterscheidet bei Brennstoffelementen drei wesentliche Bestandteile, eine Brennstoffelektrode, welche den Brennstoff in eine elektrochemisch umsetzbare Form bringt, eine positive Elektrode, welche das gleiche für den Sauerstoff besorgt, und den Elektrolyten, in dem der Transport der Ionen vor sich geht. Der Umsatz gasförmiger Reaktionspartner ist an die Existenz einer sogenannten Dreiphasengrenze gebunden. Bei den heute allgemein verwendeten Gasdiffusionselektroden vollzieht sich die Reaktion in teils mit Elektrolyt, teils mit dem Reaktionsgas gefüllten Poren. Hier wird die Dreiphasengrenze durch die Grenzlinie zwischen Porenwandung, Gas und Flüssigkeit gebildet.

Für das Funktionieren einer Elektrode ist es demnach unerläßlich, daß der Kapillardruck in der Pore durch eine andere Kraft kompensiert wird. Dies ist im allgemeinen der Gasdruck, der über Atmosphärendruck liegt. Überwiegt der Kapillardruck, läuft die Pore voll Elektrolyt und wird somit elektrochemisch unwirksam. Die Beschickung der Elektroden erfolgt daher im allgemeinen mit vorher komprimierten Gasen; für das Komprimieren ist jedoch ein gewisser Energieaufwand notwendig, der zur Verringerung der Energiegesamtausbeute der Zelle beiträgt. Überwiegt andererseits der Gasdruck in der Pore, perlt das Reaktionsgas ungenutzt durch sie hindurch, so daß sich ebenfalls keine Dreiphasengrenze ausbilden kann. Bei Kohleelektroden kann man zwar durch Hydrophobierung eine Dreiphasengrenze auch bei Atmosphärendruck erreichen, Metallelektroden können jedoch nicht hydrophob gemacht werden.

Die geschilderten Nachteile können gemäß der Erfindung dadurch vermieden werden, daß auf der Elektrolytseite der Gasdiffusionselektrode ein Unterdruck erzeugt wird. Zu diesem Zweck kann der Elektrolytraum mit einer Vorrichtung zur Erzeugung des Unterdrucks vakuumdicht verbunden sein. Der Unterdruck kann nach einer der üblichen Methoden erzeugt werden, z. B. durch Auspumpen eines mit dem Elektrolytraum in Verbindung stehenden Luftraumes. Bei zunehmender Verdünnung des Elektrolyten muß der Unterdruck dauernd nachgeregelt werden.

Eine andere Vorrichtung zur Aufrechterhaltung des Unterdrucks soll an Hand der Figur beschrieben werden.

Sie zeigt die schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 1, bei welcher der Unterdruckerzeuger 2 mit dem Elektrolytraum 3 durch die Leitung 4 vakuumdicht verbunden ist. Die Brennstoffzelle 1 besteht aus der Gasdiffusionselektrode 5, der Brenn-Verfahren zum Betrieb eines
Brennstoffelementes und Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Friedrich Burhorn,
Dipl.-Ing. Dr. Philipp Jäger, Erlangen

Stoffelektrode 6 und dem Elektrolyten 7, dem ein flüssiger Brennstoff beigegeben ist. Die Zelle wird durch die Dichtungen 8 gasdicht verschlossen. Der Unterdruckerzeuger 2 umfaßt einen elastischen Federbalg 9 in senkrechter Lage, der an seinen beiden Enden mit den Metallplatten 10 und 11 verschlossen ist. Der Elektrolytraum 3 und der Unterdruckerzeuger 2 mit der verbindenden Leitung 4 ist völlig mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt. An der unteren Platte 11 des Unterdruckerzeugers hängt ein Gewicht 12, das im Elektrolytraum einen bestimmten Unterdruck schafft. Bei der Volumenvergrößerung des Elektrolyten durch die bei der Reaktion auftretende Wasserbildung dehnt sich nur der Federbalg, das Gewicht sinkt etwas ab, der Unterdruck bleibt aber derselbe. Die Anordnung kann volumenmäßig so ausgelegt werden, daß bis zum notwendigen Elektrolytwechsel der Unterdruck konstant bleibt. Änderungen des äußeren Luftdrucks beeinflussen die Druckdifferenz zwischen Außen- und Elektrolytdruck nicht.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Unterdruckerzeuger auch aus zwei elastischen Platten aus Gummi oder Kunststoff bestehen, die an den Rändern miteinander vakuumdicht verklebt oder verschweißt sind, wobei die obere Platte über eine Leitung mit dem Elektrolytraum in Verbindung steht und die untere Platte zur Bildung des Unterdruckraumes der Einwirkung einer äußeren Kraft, beispielsweise einem angehängten Gewicht, ausgesetzt ist. Im gleichen Maße, wie das Volumen des Elektrolyten durch das bei der Reaktion gebildete Wasser zunimmt, vergrößert sich auch das Volumen des mit dem Elektrolyten gefüllten Unterdruckraumerzeugers.

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An Stelle des in der Figur beschriebenen Federbalgs können als Unterdruckerzeuger auch zwei mit einem elastischen Schlauch aus Gummi oder Kunststoff miteinander verbundene Zylinder verwendet werden.

Die Erfindung ermöglicht es, Gase, z. B. Luft, von Atmosphärendruck auch bei Metallelektroden, z. B. DSK-Elektroden, zu verwenden. Der Brennstoff kann in gasförmiger oder flüssiger Form verwendet werden. Die Gefahr einer Durchfeuchtung der Elektroden wie bei den üblichen Kohlediffusionselektroden besteht nicht.

Für die praktisch verwendete Zelle nach der Figur gelten folgende Daten und Materialangaben: Als Sauerstoffelektrode wurde eine Mehrschichtelektrode verwendet, die aus einer grobporigen Arbeitsschicht und einer feinporigen Deckschicht besteht. Der Elektrolyt bestand aus 6n-Kalilauge, der als Brennstoff Äthylalkohol beigemischt war. Der elastische Federbalg bestand aus V2A-Stahl, seine Bodenfläche betrug 20 cm², seine Länge 5 cm bei einem Dehnungsvermögen von 4,2 cm. Die Zelle arbeitete bei einem Unterdruck von 0,5 atm, der durch das Gewicht von 10 kg erzielt wurde. Sie lieferte eine Strommenge von 250 Ah, wobei eine Wassermenge von 84 cm³ erzeugt wurde.

Für den Betrieb des Elementes fällt der sonst notwendige Aufwand für die Pumpe fort. Der Unterdruckraum besitzt wegen der geringen Kompressibilität von Flüssigkeiten eine geringere volumenmäßige Ausdehnung, als an seiner Stelle ein dem gleichen Zwecke dienender Kompressionsraum für Gase besitzen würde. Durch die Erfindung wird somit der Bau einer kompakten, relativ kleinen Brennstoffzelle ermöglicht.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit wenigstens einer Gasdiffusionselektrode und einem flüssigen Elektrolyten,

ic dadurch gekennzeichnet, daß auf der JBlektrolytseite der Gasdiffusionselektrode eST Unterdruck erzeugt wird.,

2. Vorricntung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytraum der Zelle mit einem Unterdruckerzeuger über eine Leitung vakuumdicht verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruckerzeuger aus elastischen oder elastisch miteinander verbundenen Wänden eines säure- oder alkalifesten Gefäßes besteht, das durch eine äußere Kraft auf ein bestimmtes Volumen ausdehnbar ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytraum, die Leitung und der Unterdruckerzeuger völlig mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruckerzeuger aus einem elastischen Federbalg besteht, der an beiden Enden mit einer Metallplatte verschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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