DE1496241A1 - Galvanisches Brennstoffelement mit poroesen Diaphragmen - Google Patents

Description

Reκ."-Nr, BSP 29a/ J^Jj* K^-VT* 1 ifrankfurt/Main, den 25.5-65

?T - Fnn/Nau.

SI EMENS-SCHUÖKERTWERKE AKTI ENGESELLSCHAFT Berlin und Erlangen

VARTA AKTIENGESELLSCHAFT Hagen / Westfalen, Dieckstr. 42

Galvanisches Brennstoffelement mit porösen Diaphragmen,

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Brennstoffelement bzw. eine Brennstoffbatterie zur elektrochemischen Umsetzung von reduzierbaren und oxidierbaren Stoffen.

Es sind bereits Brennstoffelemente bekannt, bei denen sich zwischen der Brennstoffelektrode und der Oxidationselektrode, in inniger Berührung mit diesen ein nicht leitendes Diaphragma befindet, das den Elektrolyten enthält oder selbst die Funktionen eines Elektrolyten übernimmt. Derartige Diaphragmen bestehen meist aus Asbestscheiben oder Ionenaustauschermembranen. Beim Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen und Oxidationsmitteln verhindert der relativ hohe Kapillardruck der Diaphragmenporen ein Entweichen der Gase; das Diaphragma dient damit sowohl als Elektrolytraum sowie auch als Elektrodendeckschicht. Hinter jeder Elektrode befindet sich ein Gasraum, von dem aus das Reaktionsgas der Elektrode zugeleitet wird» Abgesehen von dem für ihn benötigten Raum weist der Gasraum zudem den Nachteil auf, daß die ihm zugewandte Elektrodenseite nicht elektrisch belastet und damit elektrochemisch picht wirksam werde» kann. Bei Zellen ohne Diaphragma kann man auf den Gasraum verzichten und damit eine bessere Ausnutzung der Elektroden erreichen, wenn man letzteren das Gas vom Rand her zu-.leitet. Wie in der deutschen Patentanmeldung R 30 226 Vlb/21b 'näher beschrieben ist, werden unter dem Druck des Reaktionsgases diejenigen Poren der Elektrode freigeblasen, die einen geringeren Kapillardruck aufweisen^ So gelangt das Gas von diesen Poren aus an den Ort der elektrochemischen Reaktion, d.h. zu den Bereichen "der Dreiphasengrenze Elektrode / Elektrolyt / Gas. Damit das.

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Gas aber nicht aus dem Elektrodeninnern in den Elektrolyten entweichen kann, müssen auf beiden Seiten der Elektrode je eine feinporige Deckschicht aufgebracht werden, deren Poren infolge ihres höheren Kapillardruckes den Elektrolyten festhalten.

Die feinporigen Deckschichten einer derartigen Elektrode bringen aber eine gewisse Verschlechterung der elektrochemischen Eigenschaften, wenn sie nicht sehr dünn gehalten sind. Dies wiederum hat zur Folge, daß sich die Herstellung von Elektroden erschwert, weil man sorgfältig darauf achten muß, daß keine Löcher oder Riese in der Deckschicht entstehen.

Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Brennstoffelement bzw. eine Brennstoffbatterie herzustellen, die die beschriebenen Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß beim galvanischen Brennstoffelement mit porösen, beidseitig arbeitenden Elektroden beide Oberflächen jeder Elektrode in inniger Berührung mit den zwischen den Elektroden liegenden oder an sie grenzenden elektrolyterfüllten, elektrisch nicht leitenden Diaphragmen stehen, wobei zumindest die den Elektrodenoberflächen benachbarten Diaphragmenporen stets kleiner als die in den Elektrodenoberflächen befindlichen Poren sind und die Elektrodenränder Zuleitungen bzw. Abführungen für die reduzierbaren oder oxidierbaren Stoffe aufweisen. Ein derartiges Brennstoffelement besteht also aus porösen Elektroden und elektrolyterfüllten, nicht leitenden Diaphragmen, die in abwechselnder Reihenfolge aneinandergepreßt sind.

Den Elektroden können außer gasförmigen auch,flüssige redujsierbare und oxidierbare Stoffe zugeführt werden. Weiterhin- läßt sich das Element für die Elektrolyse wässriger Lösungen verwenden. Irisbesondere wird dies in Verbindung mit der weiter unten beschriebenen Spülvorrichtung möglich; die abgeschiedenen Gase lassen sich dabei -unter Druck speichern, da der Kapillardruck der Diaphragmenporen höher ist als der Kapillardruck der Elektrodenporen.

Bei Verwendung eines alkalischen Elektrolyten empfiehlt es sich» die Zahl der Oxidationselektroden um eine Einheit höher au wählea die der Brennstoffelektroden·

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Besonders bewährt haben sich Brennstoffelektroden aus Raney-Metall, die natürlich auch aus legierten Raney-Metallen bestehen oder diese Stoffe enthalten können.

Für die Oxidationselektroden empfiehlt es sich, als Material oberflächenreiches Silber zu nehmen, das entweder durch feinteilige Fällung aus silbersalzhaltigen Lösungen mit anschließender Reduktion oder aus Raney-Silber-Legierungen gewonnen sein kann. In manchen Fällen empfiehlt es sich, dem Silber noch einen Zusatz an Aktivatoren zu geben.

Während des Betriebes des Elementes treten in den Poren der Diaphragmen und Elektroden oft erhebliche Konzentrationsänderungen des Elektrolyten auf. Dies führt zu sogenannten Grenzstromdichten, welche wiederum die elektrische Belastbarkeit der Elektroden stark einschränken. Dieser Nachteil wird ausgeschlossen, wenn man die Konzentrat ion sänderungen mittels einer erzwungenen Elektrolytströmung durch Elektroden und Diaphragmen des Elementes aufhebt. Dies ist verhältnismäßig- einfach zu erreichen, wenn zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen den Elektrolytphasen der beiden Enddiaphragmen eine Fördervorrichtung angebracht ist. Dabei ist es zweckmäßig, die Enddiaphragmen an ihren Außenflächen durch poröse, mechanisch stabile Stützplatten abzudecken.

Die rein schematisch aufzufassende Fig. 1 soll zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung dienen. Das Element besteht aus einer Brennstoffelektrode 1 und zwei Oxidationselektroden 2; es kann aber durch entsprechende Zunahme weiterer Elektroden und Diaphragmen 3 zu einer Brennstoffbatterie erweitert werden. Mittels einer Fördervorrichtung 7 wird zwischen den Elektrolyträumen 5 und 6 eine Druckdifferenz erzeugt, die eine Elektrolytströmung durch Elektroden 1 . und 2 und Diaphragmen 3 hervorruft. Die porösen Endplatten 4- dienen zur Stabilisierung der Enddiaphragmen, überraschenderweise durchläuft die Elektrolytströmung auch unter Gasdruck stehende Elektroden, da selbst in ihnen stets noch durchgehende elektrolyterfüllte neben den gaserfüllten Poren vorhanden sind.

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- Patentansprüche -

Claims (6)

1. Reg.-Nr. BSP 29a

   Patentansprüche

   Galvanisches Brennstoffelement bzw. Brennstoffbatterie mit porösen Elektroden und Diaphragmen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen jeder Elektrode in inniger Berührung mit den zwischen den Elektroden liegenden oder an sie grenzenden elektrolyterfüllten elektrisch nicht leitenden Diaphragmen stehen, wobei zumindest die den Elektrodenoberflächen benachbarten Diaphragmenporen stets kleiner als die in den Elektrodenoberflächen befindlichen Poren sind und die Elektrodenränder Zuleitungen bzw. Abführungen für die Reaktionsstoffe aufweisen.
2. 2. Galvanisches Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines alkalischen Elektrolyten die Zahl der Oxidationselektroden die der Brennstoffelektroden um 1 übertrifft.
3. 3. Galvanisches Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Außenflächen der beiden Enddiaphragmen des Elektrodensatzes poröse Stützplatten angebracht sind.
4. 4. Galvanisches Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelektroden aus Raney-Metall und/oder aus legierten Raney-Metallen besteht oder diese Stoffe enthalten.
5. 5. Galvanisches Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationselektroden aus oberflächenreichen Silberteilchen - gegebenenfalls mit einem Zu satz von Aktivatoren bestehen - oder diese Stoffe enthalten.
6. 6. Galvanisches Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen den Elektrolytphasen der beiden Enddiaphragnfen eine Fördervorrichtung angebracht ist.

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