DE1246066B - Plattenfoermige Gasdiffusionselektrode fuer Brennstoffelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

21 K 9

HOIm

Deutsche Kl.: 21 b -14/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1246 066
S 80501 Vl b/21 b
19. Juli 1962
3. August 1967

HOIM

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine plattenförmige Gasdiffusionselektrode für Brennstoffelemente, von welcher mindestens eine Oberfläche in Berührung .mit einer Elektrolytschicht steht und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. In der Vergangenheit S wurden Brennstoffelemente mit topfförmigen Gaselektroden (deutsche Patentschrift 730 247) bekannt, die einen zentralen Hohlraum aufweisen. Jedoch waren dieselben auf Grund ihrer Formgebung sehr voluminös und es erschien äußerst schwierig, dieselben zur Formung von Batteriesätzen kompakt und billig zusammenzuschalten.

Weiterhin gibt es Brennstoffelemente mit Gaselektroden in Form einer porösen Platte, bei denen eine oder beide Seiten in Berührung mit einem Elektrolyten und einer oder mehreren Kantenflächen in Verbindung mit einem Gasraum stehen; dabei pflegt man im allgemeinen Zu- und Ablauf für die Gase an oder in der Nähe je einer Kante der Elektrode anzuordnen. In gewissen Fällen ist vorgeschlagen worden, ao nur einen Zulauf für das Gas anzuordnen, nämlich in solchen Fällen, wenn alles Gas verbraucht wird und die Verbrennungsprodukte in einer anderen Weise als in Form von Abgasen abgeführt werden. In sämtlichen Fällen werden aber Dichtungsprobleme an den Kanten der Elektroden und des Elektrolyten auftreten. Dies gilt vor allem bei Hochtemperaturelementen, wo es besonders schwierig ist, eine befriedigende Dichtung anzubringen.

Durch die vorliegende Erfindung werden diese Schwierigkeiten vermieden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in der porösen Platte in an sich bekannter Weise ein zentraler Hohlraum vorgesehen ist, in welchen Gaszuleitungen zur Zuführung von Brennstoffgas bzw. Oxydationsgas einmünden, und daß die Kantenflächen der porösen Platte in Verbindung mit einem äußeren Abgasraum stehen.

Bei Anwendung dieser Anordnung wird das Gas der Mitte einer z. B. kreisförmigen Elektrode zugeführt und frei an der Kante der Elektrode abgelassen. Dadurch kann man eine ganze Batterie von Zellen in einem einzigen Gehäuse einkapseln, wenn man in irgendeiner Weise die Abgase ausnützen will, und praktisch alle Dichtungsprobleme fallen fort, wodurch außerdem das Verlegen eines komplizierten Systems von Auslaßrohren vermieden wird. In sehr vorteilhafter Weise kann eine solche Elektrode dadurch erzeugt werden, daß zunächst ein poröser Napf hergestellt wird, vorzugsweise aus demselben Material, aus dem die poröse Platte hergestellt wird, daß ein so Rohr an diesem Napf befestigt und die poröse Platte um den Napf und das Rohr herum geformt wird, Plattenförmige Gasdiffusionselektrode
für Brennstoffelemente und Verfahren
zu ihrer Herstellung

Anmelder:

Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner,
Stockholm

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Hoffmann und Dipl.-Ing. W. Eitle,
Patentanwälte, München 8, Maria-Theresia-Str. 6

Als Erfinder benannt:

S. Gunnar Söredal, Stockholm

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 21. Juli 1961 (7517)

wobei sowohl der Napf als auch die poröse Platte aus gesintertem Metallpulver bestehen können.

Die Erfindung wird durch die Zeichnungen veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einer einzigen Zelle.

F i g. 2 zeigt die Anwendung bei einer Batterie mit zusammengeschalteten Zellen und bipolaren Elektroden.

F i g. 3 zeigt eine Einzelheit der Anwendung bei einem Verfahren zur Herstellung von Elektroden für die Anordnung gemäß F i g. 2.

F i g. 4 zeigt ein Diagramm zur Berechnung der Stromdichte, die man bei verschiedenen Strömungsbildern in den Elektroden erzielen kann.

In F i g. 1 werden zwei Elektroden durch A und B bezeichnet. Jede Elektrode besteht aus einem Metallblech 1, an welchem eine poröse Platte 2 aus leitendem Material befestigt ist, die gegebenenfalls mit den erforderlichen Katalysatoren versehen ist. Die Platte kann aus gesintertem Metallpulver bestehen. In der Mitte des Bleches 1 befindet sich ein Loch und in der porösen Platte eine entsprechende Höhlung 3. Zu dem dadurch entstehenden Raum leitet ein Rohr 4, durch welches ein Gas, Brennstoff oder Oxydationsmittel zugeführt wird. Der Begriff Oxydationsmittel ist hier in seiner weitesten Bedeutung zu verstehen. Zwischen den Sinterplatten 2 liegt eine Elektrolyt-

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schicht 5, die an der ganzen Oberfläche' der Platten dicht anliegt.

In F i g. 2 bezeichnen die Ziffern 1 bis 5 dieselben Einzelheiten wie in Fig. 1, aber hier ist außerdem ein Ring 6 zwischen den Platten 2 angeordnet. Die Elektroden können mit einer Ausnehmung versehen sein, die dem Ring 6 entspricht. Die Rohre 4, die zu den positiven Elektroden leiten, sind an ein Zulcitungsrohr 8 für ein Oxydationsmittel, z. B. Luft, angeschlossen und die Rohre, die zu den negativen Elektroden leiten, sind an ein anderes Zuführungsrohr 9 für Brcnnstoffgas angeschlossen. Dabei sind entweder die Rohre 8 und 9. oder die Rohre 4 aus isolierendem Material hergestellt, oder die Rohre 4 müssen von den Rohren 8 bzw. 9 mit Zwischenstücken aus isolierendem Material isoliert werden, damit die Batterie nicht kurzgeschlossen wird.

Beim Herstellen von Elektroden, z. B. nach F i g. 2, mit einer gesinterten leitenden Platte mit der oben beschriebenen Anordnung kann man erst, z. B. durch Sintern, ein Rohr 4, F i g. 3, an einem kleinen Napf 7 befestigen, der vorzugsweise aus dem gleichen Material besteht, aus dem die porösen Platten hergestellt werden sollen. Danach wird dieser Napf mit seinem Rohr auf das Blech 1 gelegt und mit dem Material für die poröse Platte in Pulverform umgeben, wonach alles zusammengesintert wird. Ein anderes Verfahren, den Raum 3 zu erzielen, besteht darin, daß man das Ende des Rohres 4 in einen Körper mit den Dimensionen des gewünschten Hohlraumes eingießt. Dieser Körper besteht aus einem in einem Lösungsmittel löslichen Stoff, z. B. einem Salz, das einen höheren Schmelzpunkt als die Sinterungstemperatur hat. Das Rohr mit dem Körper wird auf das Blech 1 gelegt, wonach das Elektrodenmaterial in Pulverform aufgefüllt wird. Das Pulver wird gesintert, wonach der Körper herausgelöst wird.

Statt des Anbringens eines Rohres an dem kleinen Napf 7 oder statt der Anwendung des anderen eben beschriebenen Verfahrens kann natürlich, nachdem die poröse Platte hergestellt worden ist oder in Zusammenhang mit ihrer Herstellung, ein Kanal in geeigneter Weise angeordnet werden.

In den Fällen, wenn sowohl der Brennstoff als auch die Verbrennungsprodukte gasförmig sind, wird eine Leerlaufspannung erhalten, deren Größe von dem Umsetzungsgrad abhängig ist. Die Kurve der Lcerlaufspannung V als Funktion des Umsetzungsgrades χ hat im Prinzip das Aussehen nach Fig. 4. Der Umsetzungsgrad ist dabei das Verhältnis der zugeführten Sauerstoffringe zu jener, die für eine vollständige Umsetzung innerhalb der Zelle erforderlich wäre. An Hand dieser Figur kann man erkennen, daß bei einer konstanten Brennstoffmenge die zugeführte Sauerstoffmenge begrenzt sein muß, damit die Zelle die nötige Spannung abgeben kann.

Eine weitere Beschränkung der zugeführten Sauerstoffmenge ergibt sich daraus, daß praktisch aller Sauerstoff innerhalb der Zelle verbraucht werden muß, um eine schädliche Verbrennung der notgedrungenermaßen auftretenden unverbrauchten reagierenden Gase an den Außenkanten der Zelle zu vermeiden.

Das Verhältnis zwischen Brennstoffmenge und Sauerstoffmenge muß so bemessen sein, daß man einen maximalen Wirkungsgrad erhält. Wenn die Sauerstoffmenge zu groß ist, wird die Spannung niedrig (s. F i g. 4), da dann das Gasgemisch in der Nähe der Elektrodenperipherie zu viel Sauerstoff in Form von Kohlendioxyd und Wasser enthält. Wenn die Sauerstoffmenge zu klein ist, wird notgedrungenermaßen der Brennstoff zu schlecht ausgenutzt. Es muß deshalb der optimale Arbeitspunkt gefunden werden.

Aus diesen Erwägungen heraus ist es zum Erzielen eines besseren Wirkungsgrades vorteilhaft, die Elektroden in einer solchen Weise auszubilden, daß die poröse Elektrode auf der einen Seite dicht an einer festen Wand, einem Träger (Blech 1) und auf der anderen an dem Elektrolyten anliegt, wodurch das Gas gezwungen wird, durch die poröse Schicht hindurchzugehen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Plattenförmige Gasdiffusionselektrode für Brennstoffelemente, von welcher mindestens eine Oberfläche in Berührung mit einer Elektrolytschicht steht, dadurch gekennzeichnet, daß in der porösen Platte (2) in an sich bekannter Weise ein zentraler Hohlraum (3) vorgesehen ist, in welchen Gaszuleitungen (4) zur Zuführung von von Brenstoffgas bzw. Oxydationsgas einmünden, und daß die Kantenflächen der porösen Platte in Verbindung mit einem äußeren Abgasraum stehen.

2. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein poröser Napf (7) hergestellt wird, vorzugsweise aus demselben Material, aus dem die poröse Platte hergestellt wird, daß ein Rohr (4) an diesem Napf befestigt und die poröse Platte um den Napf und das Rohr herum geformt wird, wobei sowohl der Napf als auch die poröse Platte aus gesintertem Metallpulver bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 730 247.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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