DE1241506B - Brennstoffzelle fuer Demonstrationszwecke - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

nEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIm

Deutsche Kl.: 21 b -14/01

Nummer: 1 241506

Aktenzeichen: A 39298 VI b/21 b

Anmeldetag: 26. Januar 1962

Auslegetag: 1. Juni 1967

Die Erfindung befaßt sich mit Brennstoffzellen der Art, bei der elektrische Energie unmittelbar aus flüssigen Brennstoffen durch elektrochemische Umsetzung erzeugt wird.

Brennstoffzellen dieser Art sind bekannt und weisen im allgemeinen ein Gehäuse sowie Brennstoff- und Oxydationsmittelelektroden auf, die im Abstand voneinander in eine flüssige Lösung aus einem Elektrolyten, flüssigem Oxydationsmittel und flüssigem Brennstoff zur Adsorption und Desorption von Brennstoff- bzw. Oxydationsmittelionen eintauchen. Die Elektroden sind im allgemeinen porös und werden durch die vorgenannten Vorgänge elektrisch aufgeladen.

Während die bekannten Brennstoffzellen in der Technik vielfach angewandt werden, sind sie wegen der Empfindlichkeit ihrer Katalysatoren und mangelnder Eignung der Zellenflüssigkeit nicht besonders für Demonstrations- und Lehrzwecke geeignet, wo Robustheit, Ungefährlichkeit und minimaler apparativer Aufwand wichtiger sind als optimale Wirkungsgrade.

Ziel der Erfindung ist somit die Schaffung einer Brennstoffzelle für Demonstrationszwecke zur unmittelbaren Erzeugung elektrischer Energie aus einem flüssigen Elektrolyt-Brennstoff-Oxydans-Gemisch, die selbst von ungeübten Personen zuverlässig und reproduzierbar in Betrieb genommen und gehalten werden kann.

Die Brennstoffzelle für Demonstrationszwecke kennzeichnet sich gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Elektroden sind nicht porös.

b) Der Raum zwischen den Elektroden ist mit einer wäßrigen Lösung des Elektrolyten, mit Methyl- oder Äthylalkohol als Brennstoff und mit Wasserstoffperoxyd als Oxydationsmittel gefüllt.

c) Die negative Elektrode ist mit einem den Brennstoff aktivierenden Katalysator und die positive Elektrode mit einem das Wasserstoffperoxyd aktivierenden Katalysator versehen.

Die so ausgebildete Brennstoffzelle gemäß der Erfindung hat sich als sehr robust und zuverlässig erwiesen. Mit der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung lassen sich die bei der Stromerzeugung abspielenden Vorgänge auch von ungeübten Personen sehr anschaulich demonstrieren.

Die Verwendung von Äthylalkohol als Brennstoff einerseits und von Wasserstoffperoxyd als Oxydations-Brennstoffzelle für Demonstrationszwecke

Anmelder:

Allis-Chalmers Manufacturing Company,

West Allis, Wis. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Müller-Bore und Dipl.-Ing. H. Gralfs,

Patentanwälte, Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:
James William Adam, West Allis, Wis.;
Bruce Herman Fiedler,
Milwaukee, Wis. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Januar 1961 (85 112)

mittel andererseits ist bei Brennstoffzellen an sich bekannt. Jedoch wurden diese flüssigen Bestandteile bisher immer nur in Kombinationen mit einem gasförmigen Partner angewendet. Gerade durch den Verzicht auf jegliches Gas bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle wird aber die besondere

3» Eignung für den Gebrauch durch ungeübte Personen erzielt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält die wäßrige Lösung des Elektrolyten 5 bis 50 Volumprozent Brennstoff und 0,5 bis 5 Volumprozent Wasserstoffperoxyd.

Ber Brennstoffkatalysator kann aus Platin, Palladium, Iridium, Osmium, Rhodium oder Ruthenium bestehen.
Der Katalysator für das Wasserstoffperoxyd besteht vorzugsweise aus Silber, Kobalt oder Nickel, deren Oxyden oder Mischungen der Schwermetalloxyde des Eisens, Kobalts, Nickels und Silbers.

Eine für Demonstrationszwecke besonders gut geeignete Brennstoffzelle enthält als Brennstoffkatalysator Platin und als Katalysator für das Wasserstoffperoxyd Silber.

In an sich bekannter Weise kann die erfmdungsgemäße Brennstoffzelle bipolare Elektroden aufweisen, die aus einem elektrisch leitenden Träger bestehen, der auf gegenüberliegenden Seiten mit dem den Brennstoff bzw. das Wasserstoffperoxyd aktivierenden Katalysator belegt ist.

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Das Gehäuse weist vorzugsweise eine Mehrzahl sigen Brennstoff enthalten, während der Rest Elek-

von Rillen auf, in die die Elektroden in parallelem trolyt ist. Eine Lösung, die (in Volumenprozent) etwa

Abstand voneinander eingesetzt sind. 10% Methanol, etwa 3% Peroxyd und etwa 87°/o

Die Erfindung ist im nachstehenden an Hand der gesättigtes Lithiumhydroxyd als Elektrolyten enthält,

Zeichnungen beispielsweise erläutert und dargestellt. 5 ergibt eine sehr befriedigende elektrische Leistung.

F i g. 1 ist eine Seitenansicht einer Brennstoff- Die flüssigen Brennstoffe können zur Einführung

batterie mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, von in die Brennstoffzelle entweder mit der Elektrolyt-

denen jede gemäß der Erfindung ausgebildet ist; lösung vorgemischt werden, oder sie können getrennt

F i g. 2 ist eine Draufsicht auf die Brennstoff- in die Brennstoffzelle eingegeben werden. In jedem

batterie nach Fig. 1. io Fall wird die gewünschte chemische Reaktion ein-

Die in den Zeichnungen dargestellte Brennstoff- geleitet und der gewünschte elektrische Strom erzeugt,

batterie umfaßt ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse 10 aus wenn die Lösung sowohl den Brennstoff als auch das

elektrisch nichtleitendem Material. Dieses Gehäuse Wasserstoffperoxyd enthält.

bildet eine Kammer 13, die zwei allgemein bei 11 Nach einem praktischen Ausführungsbeispiel der angedeutete Platten enthält. Jede dieser Platten ist 15 Erfindung wird Methylalkohol mit einer anormalen relativ lose in entsprechend angeordnete Rillen 12 Lithiumhydroxydlösung als Elektrolyten vermischt, im Gehäuse eingesetzt, die sich, wie gezeigt, in prak- und diese Mischung wird in die Kammer 13 innerhalb tisch parallelem Abstand über die Kammer 13 er- des Gehäuses 10 gegossen, in welches die Elektrodenstrecken. Die dargestellte Batterie umfaßt drei Brenn- platten 11 relativ lose eingesetzt sind, so daß sie sich, stoff zellen, die mit A, B und C benannt sind. Diese ao wie beschrieben, in praktisch parallelem Abstand zuZellen sind, wie nachstehend beschrieben, elektrisch einander befinden, wodurch die Kammer 13 in drei in Reihe geschaltet und kommunizieren untereinander. untereinander in Verbindung stehende Abschnitte

Jede der Platten 11 bildet eine bipolare Elektrode; geteilt wird, von denen jeder eine erfindungsgemäße

es versteht sich jedoch, daß auch andere bekannte Brennstoffzelle bildet.

Elektrodenformen bei der praktischen Ausführung 25 Nachdem die Brennstoff-Elektrolyt-Mischung in

der Erfindung mit befriedigenden Ergebnissen benutzt die Kammer 13 eingebracht ist, oder wahlweise auch

werden können. gleichzeitig damit, wird Wasserstoffperoxyd in kon-

Jede der Platten 11 enthält einen/Träger 14, der trollierten Mengen in Kammer 13 eingegeben. Wähaus__einem elektrisch leitenden^laugenfesten und rend in normalem Betrieb Wasserstoffperoxyd einer mechanisch kräftigen Material, wiejSickeTocler Edel~3o Konzentration von 2 bis 3O°/o verwendet wird, leidet staMjjTjesteHt. Auf "diesem Trager~14 ist~aüi eineT~ die Wirksamkeit der Zelle nicht, wenn Wasserstoff-Seite der Brennstoffkatalysator 15 aufgebracht, wäh- peroxyd mit einer Konzentration von bis zu 100 °/o rend die andere Seite mit dem Katalysator für das benutzt wird.
Wasserstoffperoxyd versehen ist. Das Peroxyd wird so lange zugegeben, bis die

Sowohl der Brennstoffkatalysator 15 als auch der 35 durch das Gehäuse definierte Kammer 13 zu etwa Oxydationsmittelkatalysator 16 können auf dem 0,5 bis 5% ihres Volumens mit Wasserstoffperoxyd Träger 14 auf elektrischem oder auf chemischem gefüllt ist. Bei Zugabe des Wasserstoffperoxydes tritt Wege abgeschieden werden; beide Verfahren sind eine praktisch spontane Reaktion ein, und der gegeeignet und führen zu gleichermaßen befriedigenden wünschte elektrische Strom beginnt zwischen den Ergebnissen. Welches Verfahren auch immer an- 40 Polen der Elektroden 17, 18 durch einen (nicht dargewandt wird, die gegenüberliegende Seite muß im gestellten) äußeren Stromkreis zu fließen. Je nach allgemeinen entweder mechanisch oder chemisch dem gewählten flüssigen Brennstoff kann der Widermaskiert werden. stand der Elektroden und das beste Verhältnis von

Jede der so hergestellten Elektrodenplatten 11 Brennstoff: Wasserstoffperoxyd schwanken, aber

fungiert gleichzeitig als Brennstoffelektrode und als 45 diese Parameter lassen sich für jede gegebene

positive Elektrode. Außerdem dient der zentrale Situation leicht bestimmen.

Träger 14 dazu, aneinanderstoßende Zellen elektrisch Die bei der praktischen Ausführung der Erfindung

in Reihe zu schalten. verwendeten Elektroden brauchen weder hohl noch

An jeder Seitenwand des Gehäuses 10 sind uni- porös zu sein, wie es bisher erforderlich war, sonpolare Elektroden 17 und 18 vorgesehen, um die 50 dem sind vorzugsweise feste Platten. Es ist ersicht-Kammer 13 soweit wie möglich auszunützen. In der lieh, daß die Elektroden nicht durch die stromgezeigten Ausführungsform ist die Elektrode 17 die liefernde Reaktion verzehrt werden,
positive Elektrode von Zelle A und die Elektrode 18 Die Reaktion an der Brennstoffelektrode in dei die Brennstoffelektrode der Zelle C. Brennstoffzelle erfolgt mit dem Elektrolyten und den

Der Betrieb der im vorstehenden beschriebenen 55 Brennstoffteilchen, d. h. sowohl Ionen als auch Mole-Zelle sei nun beispielsweise erläutert. Der flüssige külen, die Seite an Seite über die ganze Elektroden-Brennstoff wird mit einem geeigneten Elektrolyten, oberfläche adsorbiert sind. Während sie adsorbiert beispielsweise den Hydroxyden von Kalium, Lithium werden, spalten sich die organischen Brennstoffmoleoder Natrium vermischt, und dieses Gemisch wird in küle unter den von der aktiven katalytischen Oberdie Kammer 13 gegossen. Dann wird eine kleine, 60 fläche ausgeübten Wechselwirküngskräften auf. Di« aber wirksame Menge Wasserstoffperoxyd, die aus- gespaltenen Moleküle, die im chemisorbierten Zureicht, um mit dem flüssigen Brennstoff zu reagieren, stand auf der Katalysatoroberfläche (die, wie bejedoch nicht so groß ist, daß Reagens verloren geht, schrieben, eine Schicht von Platin, Palladium u. dgl d. h. im Bereich von 0,5 bis 5 °/o des Volumens von ist) vorliegen, reagieren mit den Elektrolyten unc Kammer 13, der Brennstoff-Elektrolyt-Lösung zu- 65 nehmen Hydroxylionen auf und geben Elektronen ar gesetzt, so daß ein hochreaktives Brennstoff-Elektro- die Brennstoffelektrode ab, die dadurch negativ auflyt-Oxydationsmittel-Bad entsteht. Das so gebildete geladen wird. Neue Brennstoffmoleküle werden kon-Bad wird annähernd 5 bis 50 Volumenprozent flüs- tinuierlich von der flüssigen Phase durch Diffusior

an die Elektrodenoberfläche gebracht. Dabei werden die Reaktionsprodukte kontinuierlich in den Elektrolytraum zurückgeführt.

Elektroden, Elektrolyt und Brennstoff grenzen an allen Punkten der Brennstoffelektrodenoberfläche aneinander an, und die gesamte Oberfläche der Brennstoffelektrode ist elektrochemisch aktiv. Damit weist die erfindungsgemäße Zelle die wesentlichen Vorzüge der mit elektrochemisch aktiven »Zweiphasengrenzen« arbeitenden Elementen mit ausschließlich xo flüssigen Reaktionspartnern auf, bei denen dank der Nutzbarmachung der ganzen Oberfläche der Brennstoffelektrode für den elektrochemischen Vorgang der innere Widerstand der Zelle vermindert wird.

In der erfindungsgemäßen Zelle lassen sich zudem jedoch Brennstoffelektroden jeder gewünschten festen Form verwenden, die weder porös noch als hohle Körper ausgebildet zu sein brauchen, wie dies bisher notwendig war. Das stellt eine beträchtliche konstruktive Vereinfachung, insbesondere im Hinblick auf ao den Gebrauch als Lehr- und Anschauungsmittel, dar.

Es sei bemerkt, daß die Zugabe von Brennstoff, gewöhnlich einem schlechten elektrischen Leiter, den spezifischen Widerstand der Brennstoff-Oxydationsmittel-Elektrolyt-Lösung ansteigen läßt, so daß ein as Teil der Verminderung des inneren Widerstandes verlorengeht. Andererseits verlaufen aber die Reaktionen an der Brennstoffelektrode schneller, wenn die Brennstoffkonzentration ansteigt, so daß der Polarisationswiderstand in dem Maße abnimmt, wie die Brennstoffkonzentration zunimmt. Die beiden Anteile des inneren Widerstandes, d. h. der spezifische Widerstand des Elektrolyten und der Konzentrationspolarisierungswiderstand, verlaufen also als Funktionen der Brennstoffkonzentration einander entgegengesetzt und führen zu einem Optimum der Mischungsbedingungen, das erfindungsgemäß leicht bestimmt werden kann, um die Wirksamkeit der Zelle noch weiter zu steigern.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   40

   b) Der Raum zwischen den Elektroden ist mit ein^r wäßrigen Lösung des Elektrolyten, mit Methyl- oder Äthylalkohol ^aIs Brennstoff und mit(Wasserstoltperoxvd_tals Oxydationsmittel gefüllt.

   c) Die negative Elektrode ist mit einem den Brennstoff aktivierenden Katalysator und die positive Elektrode mit einem das Wasserstoffperoxyd aktivierenden Katalysator versehen.
2. 2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung 5 bis 50 Volumprozent Brennstoff und 0,5 bis 5 Volumprozent Wasserstoffperoxyd enthält.
3. 3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkatalysator aus ^Platin, Palladium, Iridium, Osmium, Rhodium oderjfothenium/jesteht.
4. 4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator für das Wasserstoffperoxyd aus Sil

   1. Brennstoffzelle für / Demonstrationszwecke. gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
   a) Die Elektroden sind nicht porös.

   py ,

   Kobalt oder Nickel, deren Oxyden oder Mischungen der Schwennetalloxvde des Eisens, Kobalts, Nickels und Silbers (besteht.
5. 5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkatalysator aus Platin und der Katalysator für das Wasserstoffperoxyd aus Silber besteht.
6. 6. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in an sich bekannter Weise bipolare Elektroden (11) aufweist, die aus einem elektrisch leitenden Träger (14) bestehen, der auf gegenüberliegenden Seiten mit dem den Brennstoff bzw. das Wasserstoffperoxyd aktivierenden Katalysator (15, 16) belegt ist.
7. 7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) eine Mehrzahl von Rillen (12) aufweist, in die die Elektroden (11) in parallelem Abstand voneinander eingesetzt sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschrift Nr. 1071175;
   französische Patentschrift Nr. 1229 144.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   709 588/149 5. 67 SS nunaesarucKerei Berlin