DE1471778A1

DE1471778A1 - Poroese Elektroden fuer Brennstoffelemente

Info

Publication number: DE1471778A1
Application number: DE19641471778
Authority: DE
Inventors: Raymond Le Bihan
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1963-10-18
Filing date: 1964-10-15
Publication date: 1969-12-04
Also published as: NL132695C; FR1379778A; GB1026244A; US3342643A; NL6411914A

Description

DR. M OLLER-BORi: DlPL.-lNG. GRALFS DR. MANITZ PATENTANWÄLTE

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Braunschweig, den 14. Oktober 1964 Sc - C 556

CSV CoBpagnie Generale de X&legraphie Sans JiI 79 Boulevar· Haussmann, Paris / Frankreich

Prioritätι Frankreich 18. 10. 1963 vaä 26. Mai 1964

s Elektroden £$'*' Bpaifflstpff elemente

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffelemente j spezieller befaßt sie sich mit solchen Brennstoffelementen, bei denen poröse Elektroden Verwendung finden.

Die einseinen Zellen von Brennstoffelementen, die chemische Energie direkt in elektrische umwandeln, enthalten bekanntlich je eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, die beiderseits eines Ionenleiters, beispielsweise eines gelösten Elektrolyten angeordnet sind.

In mit Gas gespeisten Zellen können die elektroden entweder massiv oder porös sein} unter den porösen unterscheidet man:

1. die Elektroden mit gewundenen und unregelmäßig angeordneten Poren, und

2. die Elektroden mit geradlinigen und regelmäßigen Poren.

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Die Erfindung bezieht eich auf poröse Elektroden, die au· Scheiben mit geradlinigen und regelmäßigen Foren bestehen; eine derartige Porenanordnung gewährleistet bekanntlich eine bessere Zellenleiatung als jene mit gewundenen Poren. ^

Da die geraden und regelmäßigen Poren die gesamte Dicke der Scheiben durchsetzen, wird in der Folge auf diese Foren der Begriff "transrersale Poren" angewendet werden.

Erfindungsgemäß sind die Elektroden für Brennstoffelemente Scheiben mit durchgehenden Poren, die durch zusätzliche, nicht durchgehende Poren zwischen den durchgehenden Poren oder an den Wandungsflächen der durchgehenden Foren gekennzeichnet sind·

Die zusätzlichen Poren können gerade oder verwunden sein und über die ganze Dicke der Scheiben oder nur über den dem Elektrolyten benachbarten Bereich auftreten·

Diese neuartige Anordnung -vergrößert die rom Elektrolyten innerhalb Jeder Elektrode befeuchtete Oberfläche und wirkt sich in einer wesentlichen Verbesserung der Zellenleistung aus·

weitere Torteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden »«*»««* der Zeichnungen beispielsweise

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schrieben; in diesen zeigen:

Fig· 1 einen Teilquerschnitt durch eine bekannte Elektrode für Brennstoffelemente, und zwar eine mit geradlinigen Poren,

Tig. 2 einen Te 11 querschnitt - ähnlich jenem in Fig. 1 -, der dieselbe poröse Elektrode wie Fig. 1, aber in einer erfindungsgem&ßeü Abwandlung, zeigt, Fig. 3 bis 7 eine Heihe ron Teilquerschnitten, ähnlich jenem in Fig· 2, durch andere erfindungsgemäfi abgewandelte Anordnungen τοη porösen Elektrodenstrukturen, und Flg. 8 einen Teilquerschnitt in vergrößertem Maßstab, der die sohwammartige Schicht aus Fig. 5 verdeutlicht.

In der Folge wird auf diese Zeichnungen Bezug genommen; gleiche Ziffern bezeichnen dabei stets gleiche Teile. In Fig· 1 bezeichnet 1 eine poröse Elektrode bekannter Art, die alt einer ihrer Oberflächen mit einem flüssigen Elektrolyten 2 in Berührung steht.

Sie Elektrode 1 enthält reguläre Poren 3, die an ihrem der Flüssigkeit 2 zugewandten Ende 4- verengt sind.

Die Arbeitsweise der Brennstoffelemente ist bekannt und wird daher in der Folge nicht im einseinen beschrieben. Man muß sich lediglich daran erinnern, daß in Brennstoffzellen mit flüssigem Elektrolyten und porösen Elektroden,

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welche mit Gas gespeist werden, eine Durckdifferenz zwischen den beiden Slektrodenoberflächen eingestellt wird, so daß der Elektrolyt nur über einen geringen Bereich der Gesamtelektrodendicke in die Poren eindringt. Auf diese Weise bildet jede poröse Elektrode elektrolytseltig eine dünne Schicht, die den Anteil der vom Elektrolyten ertränkten Poren enthält, und auf der anderen Seite eine sehr viel dickere Schicht, die den Anteil " '~ nicht überfluteter Poren enthält und mit dem Gas in Berührung steht.

Sie nicht überflutete, mit dem Gas in Kontakt stehende Schicht enthält eine befeuchtete und eine trockene Zone, denn in direkter Umgebung der überfluteten Zone benetzt die flüssigkeit die angrenzenden Oberflächenbereiche, indem sie sich über einen gewissen Bereich ausbreitet·

In 4er in figur 1 dargestellten Elektrode wird also der verengte Bereich 4- der Poren völlig vom Elektrolyten 2 überflutet« während sich von der rechten Elektrodenoberfläohe hin zur linken bis zu einer gewissen, durch die gestrichelte Linie 5 dargestellten Grenze eine trockene Zone erstreckt und zwischen der flüssigkeit 2 und der Grenzlinie 5 *i» zwar befeuchteter, jedoch nicht überfluteter Zwiseaanbereich liegt*

Tersuche in den Laboratorien der Anmelderin haben gezeigt,

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daß diese befeuchtete, aber nicht überflutete Zone in den Poren der Elektroden eine sehr aktive Holle bei den chemischen Reaktionen in der Zelle spielen und daß bei gegebener Elektrodendick· die Zellenleistung mit der Ober» fläche dieser aktiven Bereiche nächst«

In Ausnutzung dieser Entdeckung will die Erfindung die Leistung von Brennstoffelementen mit porösen Ilektroden durch eine Vergrößerung der aktiven Oberfläche der Ilektroden steigern.

Sie in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Elektrode ist - genau wie die in Fig. 1 - alt regulären Poren 3, aber zusätzlich dazu noch mit verwundenen und unregelmäßigen Poren in den Bereichen 6 versehen, welche die breiten regulären Poren 3 voneinander trennen· Sie Porösität 6 erstreckt sich bis zur Oberfläche der Flüssigkeit 2_V während die Bereiche 7 vorzugsweise massiv gehalten werden·

Unter diesen Umständen ist die von der Flüssigkeit 2 in Fig. 2 befeuchtete Oberfläche erheblich größer als 3en· in Fig. 1} denn zu der befeuchteten Oberfläche in den geraden Poren 3 kommt nun noch die befeuchtete Oberfläche an der Innenseite der Poren f in der Nachbarschaft der massiven Bereiche 7· Die befeuchtete Oberfläche im Bereich kann sioh auch noch weiter als die Poren 3 in Fig· 1 ausdehnen} denn sehr feine Poren kömnen aufgrund der ihnen

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eigenen Kapillarwirkung die flüssigkeit über die durch den herrschenden Gegendruck festgesetzten Grensen hinwegsiehen. Heue befeuchtete Gebiete werden dann auf diese Weise in der Umgebung der τοη der flüssigkeit erreichten Punkte ausgebildet.

Jig. 3 seigt eine Modifikation der Erfindung, bei der die Bereiche 6 nur über einen Teil ihrer Länge in der Umgebung des flüssigen Elektrolyten 2 gewundene Poren enthalten« Pas,Innere dieses porösen Teils wird so vom Elektrolyten befeuchtet, und die geseilte aktive Oberfläche wird im Tergleich su Jener in fig. 1 vergrößert.

Sie gewundenen Poren in fig. 3 können durch geradlinige. Poren ersetzt werden, wie dies in flg. 4- angedeutet ist. Beide Anordnungen ergeben im wesentlichen äquivalente Ergebnisse.

In der in den figuren 5 bis 8 dargestellten Modifikation sind die lande der Poren 3 mit einer dünnen, schwammartigen Sohioht 11 bedeckt, die einen guten Katalysator darstellt und sich entweder über den befeuchteten, aber nicht überfluteten Anteil der Poren 3, also den an die flüssigkeit 2 in fig. 3 anstoBenden Bereich erstreckt, oder aber gleichseitig über diese befeuohteten und die trockenen, nicht aber Über die überfluteten Bereiche, wie in fig. 6 angedeutet, oder aber schließlich über die gesamte Ausdehnung

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der Wände der Foren 5 einschließlich des in der Flüssigkeit 2 ertränkten Bereichen, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.

Sie Sehwammschichten 11 können auf jede beliebige bekennte Weise hergestellt werden) vorzugsweise ist bei ihrer Realisierung auf das in unserer Französischen Anmeldung "Verfahren sur Herstellung schwammiger Schichten auf kompakten Körpern¹* vom 25· Mai 1964 beschriebene Verfahren zurückzugreifen.

Gemäß jener Anmeldung hat man, wenn die Elektroden 1 aus Hickel sind, eine Schicht Aluminium, beispielsweise durch Vakuumaufdämpfung, auf die schwammig zu gestaltenden Bereiohe niederzuschlagen) die so mit Aluminium überzogenen Elektroden erwärmt man, um ein Bindringen der Aluminiumatome zwischen die Kickelatom· zu erzielen) anschließend löst man das Aluminium, beispielsweise mit Natronlauge (HaOH), auf. Längs der Wandungen der Poren 3 bilden sich dabei schwammige Schichten 11 aus, die den massiven Teil 1 der Elektroden bedecken, wie man in vergrößertem Maßstab in figur 8 erkennen kann.

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Claims

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Patentanspruch

ScheibenföxBige, von transversalen Poren durchsetzte Elektrode für Brennstoffelemente, gekennzeichnet durch zusätzliche Poren zwischen benachbarten transversalen Poren (3) oder in den Wand ungaflachen der transversalen Poren (3), wobei der Surciaesser der zusätzlichen Poren erheblich kleiner als jener der transversalen Poren (3) ist.

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