DE1596096A1

DE1596096A1 - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1596096A1
Application number: DE19651596096
Authority: DE
Inventors: Mcquade James Martin; Hamlen Robert Paul; Nilson Ronald Robert; Girard Roland Thomas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-09-09
Filing date: 1965-09-09
Publication date: 1971-04-08
Also published as: FR1459456A; US3481788A; JPS4516135B1; CH475657A; GB1091190A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht Bioh auf ein verbessertes Brennstoffelement mit unbeweglich gemachtem Elektrolyten, der sioh in einer zwei Arten von Poren aufweisenden Matrix befindet (Doppelporenmatrix )«

Brennstoffzellen mit unbeweglich gemachten Elektrolyten sind in der Technik gut bekannt. Eine übliche Form einer Brennstoffzelle mit unbeweglich gemachtem Elektrolyten enthält einen Alkalikarbonat-Elektrolyten zusammen mit einem aus Partikeln gebildeten feuerfesten Material, wie etwa Magrusiumoxyd, welches dazu dient, den Elektrolyten als Fluid physikalisch unbeweglich zu machen, während seine Ionenbe-

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weglichkeit erhalten bleibt. Das aus Partikeln gebildete, feuerfeste Material allein wird gewöhnlich als eine Matrix bezeichnet, während der Elektrolyt und die Matrix zusammen gewöhnlich als Elektrolytbauteil, -platte, -scheibe oder dergleichen bezeichnet sind,

Herkömmliche Bennzellen mit unbeweglich gemachtem Elektrolyt bestehen aus einem gasundurchlässigen Elektrolytbauteil, einer porösen Metallelektrode, die die Reaktion der mit einer Hauptfläche des Elektrolytbauteils in Berührung befindlichen Anode katalysiert, sowie aus Einrichtungen zum Zuführen von Brennstoffgas und Oxydationsgas zu den jeweiligen Elektroden, Wenn ein anionischer Elektrolyt verwendet wird, wird das Oxydationsgas mittels Ionen durch das geschmolzene Elektrolytbauteil transportiert, und das Reaktionsprodukt wird an der Anodenseite des Elements gebildet.

Wenn als Elektrolyt ein Alkalikarbonat, als Brennstoff Wasserstoff, und eine Mischung aus Sauerstoff und Kohlendioxyd als Oxydationsgas angenommen werden, erzeugt ein als Beispiel gewähltes Clement Wasser in gasförmiger Phase und Kohlendioxyd auf der Wasserstoffseite des Elements, Der Auastoss der gasförmigen Produkte aus dem Element erfolgt durch die poröse Anode, da das Elektrolytbauteil bei der herkömmlichen Bauart nicht porös gemacht wurde, um jede mögliche Vermischung der gasförmigen Rektanten zu vermeiden.

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Wenn die Zellenprodukte nur durch die poröse Anode ausgebracht werden, wird dadurch nicht nur der Brennstoff verdünnt, es kann auch eine Zunahme des Bedarfs an Kohlendioxyd im Oxydant auftreten. Die Verdünnung des Brennstoffs mit Zellenprodukten setzt die Betriebsleistung herab, da einiger Brennstoff dazu verwendet werden muss, die Produkte aus der Zelle herauszuspülen. Eine· Abwandlung der herkömmlichen Zellen, durch die das Ausströmen durch das Elektrolytbauteil oder die Kathode erfolgen würde, wurde bisher nicht für ausführbar erachtet, da eine solche Abwandlung einen mengenweisen Transport des Brennstoffs und des Oxydationsgases in den Elektrolyt ergeben würde und dadurch eine Explosionsgefahr geschaffen würde.

Die Brennstoffzelle nach dieser Erfindung verwendet ein Elektrolytbauteil, durch das die gasförmigen Produkte der elektrochemischen Reaktion von der Anode wegtransportiert werden können.

Die Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung offensichtlich. In üen Zeichnungen zeigen:

Pig. 1 eine Querschnittsansicht, die ein Brennstoffelement darstellt, und

Pig, 2 eine perspektivische Ansicht der auseinandergezogenen Teile dea zusammengebauten Brennstoffelements der *^%i.}i. Λ-

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Nach der vorliegenden Erfindung konstruierte Brennstoffelemente enthalten ein aus einer Doppelporen-Matrix und einem Elektrolyt gebildetes Elektrolytbauteil. Die Matrix ist aus einem inerten Material gebildet, das Mikroporen aufweist. Wenn die Matrix aus einem aus Partikeln bestehenden Material gebildet ist, können diese Mikroporen durch Zwischenräume zwischen benachbarten Partikeln oder Körnchen gebildet sein. Der Elektrolyt wird in den Mikroporen durch Kapillarkräfte gehalten. Die Matrix enthält zusätzlich ein Zwischenverbindung s-Netzwerk aus Makroporen, die grosser als die Mikroporen sind und dadurch das selektive Festhalten des Elektrolyts in den Mikroporen zu gestatten. Das Elektrolytbauteil wird in einer Brennstoffzelle zusammen mit einer nichtporösen, wasserstoff durchlässigen Anode, einer porösen Kathode sowie Einrichtungen verwendet, die in der Lage sind, Brennstoff und Oxydationsgas-Reaktanten jeweils zur Anode und zur Kathode zu liefern.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Doppelporen-Matrix enthält Mikroporen, die den Elektrolyten durch Kapillarkräfte festhalten, sowie Makroporen, die im allgemeinen frei von Elektrolyt sind. Die Mikroporen können eine Grosse von ungefähr 0,1 Mikron bis 250 Mikron und vorzugsweise von 1 Mikron bis 25 Mikron haben. Die Makroporen sind, um eine selektive Kapillarfesthaltewirkung in den Mikroporen zu erlauben, in ausreichendem Masse grosser als die Makroporen. Allgemein ist vorzuziehen, dass die Makroporen einen

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Durchschnittsdurchmesser von der zwei- bis fünfundzwanzigfachen Grosse von dem der Mikroporen haben. Die Makroporen bilden ein Zwischenverbindungsnetzwerk von sich durch die Matrix erstreckenden, elektrolytfreien Durchlässen, Die Makaroporen können zwischen 5 $> und 95 $, sowie vorzugsweise 10 # bis 80 % des Volumens der Matrix einnehmen. Die Mikroporen sind vorzugsweise vollständig mit Elektrolyt gefüllt, obgleich es nur erforderlich ist, ausreichend Elektrolyt dafür zu verwenden, dass ein ununterbrochener Ionenverlauf durch die Matrix geschaffen wird.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung von ^oppelporen-Matrizen besteht darin, dass eine aus Partikeln bestehendes feeurfestes Material wie Magnesiumoxyd in eine Form gegossen wird. Diese enthält Partikel eines Materials, das bei Temperaturen oberhalb der Giesstemperatur aber unterhalb Zerfalltemperatur des feuerfesten Materials selektiv zersetzbar sind» Für diesen Zweck sind Naphthalinkristalle sehr gut geeignet. Nachdem die Matrix gegossen und ausgehärtet ist, kann das selektiv zersetzbare Material durch Heizen der Matrix entfernt werden, wobei ein Zwischenverbindungs-Netzwerk von Makuoporen in dem ursprünglich eingenommenen Volumen zurückbleibt. Die Mikroporen werden natürlich infolge der Zwischenräume zwischen den Teilchen oder Körnchen des feuerfesten Materials gebildet.

Die Doppelporen-Matrix kann nach ihrer Herstellung selektiv mit Elektrolyt durchtränkt werden, sodass der Elektrolyt

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nur in den Mikroporen vorhanden ist. Wenn das Volumen des auflösbaren Materials und die Teilchengrösse des feuerfesten Materials bekannt sind, kann das Volumen der Mikroporen leicht berechnet werden. Wenn das Porenvolumen der Mikroporen und/ oder der Makroporen unbekannt ist, können diese durch die gutbekannten Versuchsverfahren bestimmt werden, die ein Quecksilberporosimeter oder eine ähnliche Einrichtung verwenden. Wenn das Porenvolumen der Mikroporen bekannt ist, wird nur ausreichend Elektrolyt zu der Doppelporen-Matrix hinzugefügt, um die Mikroporen zu durchtränken« Da die Mikroporen eine viel grössere Kapillaranziehung für den Elektrolyten als die Makroporen aufweisen, können die Mikroporen selektiv und vollständig durchtränkt werden, ohne dass die Makroporen verstopft werden.

Nach einem anderen Verfahren können die Makroporen ausreichend gross ausgebildet werden, so dass der Elektrolyt darin nicht durch Kapillaranziehung gegen die Schwerkraft gehalten werden kann. Eine solche DoppelporenMatrix kann in einen Elektrolyten eingetaucht und auf den Rand aufgestellt werden. Ausser dem zur Füllung der Mikroporen erforderlichen Elektrolyt flie3st aller überschüssige Elektrolyt aus der Matrix ab. Eine andere, anwendbare Technik besteht darin, dass eine Mischung aus feuerfesten Teilchen und Elektrolyt um ein auflösbares Material gegossen wird und nach dem Giesaen die Matrix erwärmt wird, um das ein Zwischenverbindungs-Netzwerk von Makroporen hinterlassende, auflösbare Material zu entfernen.

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Im Fall von unbeweglich gemachten, Alkalikarbonat-Brennstoffelementen ist die Matrix gewöhnlich aus Maghesiumoxyd gebildet. Damit die Mikroporen die gewünschten Abmessungen haben, ist es allgemein erforderlich, dass das Magnesiumoxyd durch ein Sieb mit 39,4 Maschen/cm hindurchtritt. Allgemein wird vorgezogen, dass das Magnesiumoxyd durch ein Sieb mit 78,(^} Maschen/cm oder feinere Siebe hindurchtritt. Der Elektrolyt kann aus Lithiumkarbonat, Natriumkarbonat, Kaliumkarbonat oder ähnlichen Alkalikarbonaten, wie auch Mischungen davon gebildet sein. Eutektische Mischungen werden allgemein bevorzugt. Der bevorzugteste Elektrolyt in solchen Zellen ist ein Dreikomponentengemisch aus einer eutektischen Mischung zu gleichen Gewichtsteilen von Lithiumkarbonat, Natriumkarbonat und Kaliumkarbonat,

Die Kathode der Brennstoffzelle kann aus irgendeinem bekannten elektrokatalytischen Material gebildet sein. Es können zum Beispiel Materialien wie Nickel und Kupfer, wie auch deren Oxyde verwendet werden. Im Hinblick auf die korrodierenden Stoffe in Alkalikarbonatzellen wird es allgemein vorgezogen, darin elektrokatalytische Materialien von hoher Korrosionswiderstandsfähigkeit, wie Metalle der leichten und schweren, dreiwertigen Platinelemente zu verwenden, wie Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin oder andere edle Ketalle, wie Gold und Silber. Wegen seiner Korrosionswiderntandsfähigkeit und den relativ geringen Kosten ist für Alkalikarbonatzellen Silber ein allgemein bevorzugtes Eloktro lenma tori el,

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Geeignete Kathoden können mit einer Porosität im Bereich, von 20 ia "bis 95 i° vom Volumen gebildet werden. Unterhalb von ungefähr 20 $ vom Volumen bietet sogar die Porosiät von dünnen, flammgespritzten Kathoden einen erheblichen Widerstand gegen die Reaktantdurchdringung. Innerhalb des Bereichs einer Porosität von 50 ia bis 80 # vom Volumen können Kathoden, die eine hohe strukturelle Festigkeit und Reaktantdurchdringung haben, durch Sintern von Metallteilchen in Einheitsgefüge gebildet werden. Allgemein wird vorgezogen, dass die Durchschnittsρorengrösse der Kathode wenigstens so gross, vorzugsweise aber grosser als die Grosse der Mikroporen innerhalb der Matrix ist. Eine solche Anordnung gleicht jede Neigung dazu aus, dass Elektrolyt innerhalb der Kathode durch Kapillarkraft selektiv festgehalten wird. Die Dicke der Kathode ist nicht kritisch. Flammgespritzte Kathoden können mit Dicken von etwa 0,0254- mm bis 0,0508 mm verwendet werden.

In der Brennstoffzelle ist eine nichtporöse, wasserstoffdurchlässige Anode verwendet. Die Anode muss eine durchlässigkeit für Wasserstoff unter Betriebsbedingungen von wenigstens 0,01 cm /min/cm , vorzugsweise von 0,05 cm /min/cm haben. Vorzugsweise wird eine Anode aus einer Metallfolie verwendet, ,In Alkalikarbonat-Brennstoffzellen ist die Anode vorzugs-• weise aus gegen Korrosion widerstandsfähigem Metall, wie Palladium, Nickel oder Palladium-Silber im Verhältnis von 0 bis ' 70 Gewichtsprozenten Silber legiert, vorzugsweise von 0 bis 50 ftewichtsprozenten Silber legiert, gebildet. Es kann eine

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"beliebige Anodendicke gewählt werden, die eine ^wasserstoffdurchlässigkeit oberhalb von 0,01 cm /min/cm erlaubt.

Die Verwendung einer wasserstoffdurchlässigen, nicht porösen Anode ist besonders vorteilhaft dadurch, dass ein Brennstoff aus einer Mischung von einem Kohlenwasserstoff und Dampf zum Clement geliefert werden kann, ohne dass sein Betrieb nachteilig beeinflusst wird. Der Dampf und die Kohlenwasserstoffe reagieren unter Bildung von Wasserstoff. Selektives Abziehen des durch die Reaktion gebildeten Wasserstoffs durch die Anode gestattet es, dass das Gleichgewicht der Kohlenwasserstoff-Dampf-Reaktion in Richtung auf die Erzeugung greiserer Mengen von Wasserstoff verschoben werden kann. Ss wird angenommen, dass die Anode mit Wasserstoff von irgendeiner geeigneten Quelle betrieben werden kann.

Es wird auf die Pig« 1 und 2 Bezug genommen. Sie stellen ein Brennstoffelement mit einem Elektrolytbauteil 1, das aus einer Doppelporen-Matrix und einem Elektrolyten gebildet iat, dar. Die Kathode 2 und die Anode 3 befinden sich in physikalischen Kontakt mit den Hauptflächen des Elektrolytbauteils. Die elektrischen Leitungen 4 und 5 sind jeweils an der Gasseite der Kathode und Anode befestigt, um die in dem Element erzeugte Energie einer aussen befindlichen Lasteinrichtung zuzuführen.

Die Kathode, die Anode und das Elektrolytbauteil werden

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durch die Gehäuseteile 6 und 7» die mit Schraubbolzen 10, isolierenden Dichtungsringen 11 und Befestigungsmuttern 12, wie in der Zeichnung gezeigt, verbunden sind, in ihrer Lage gehalten. Das Gehäuseteil 6 besteht aus einem Metallteil mit einem hohlraumförmigen Bereich 13 für den Eintritt eines Brennstoffgases zur dargebotenen Fläche der Anode durch die Leitung 14, mit einer zusätzlichen Leitung 15 zur Ableitung irgendwelcher, nicht zur Reaktion gelangten oder überschüssigen Brennstoffgase aus dem Hohlraum. In gleicher Weise enthält das Gehäuseteil 7 ein Metallteil mit einem hohlraumförmigen Bereich 16 und Leitungen 17 und 18, damit ein Oxydationsgas zur Kathodenelektrode gebracht werden kann. Die Leitungen 4 und 5 aind von den Gehäuseteilen 6 und 7 durch elastische Buchsen 20 und 21 isoliert. Die Makroporen 22 in dem Elektrolytbauteil 1 sind am besten in Fig. 2 gezeigt, während die Mikroporen wegen ihrer geringen Grosse nicht dargestellt werden können.

Das in der Zeichnung gezeigte Brennstoffelement könnte z.B. leicht abgewandelt werden, indem die Gehäuseteile von den Elektroden isoliert werdenund dadurch die Dichtungs-ringe 11 überflüssig gemacht werden. Die Leitungen 4 und 5 könnten an den Gehäuaeteilen befestigt werden oder durch Entfernung der Buchenen 20 und 21 mit ä*n Gehäuseteilen in elektrischen Kontakt gebracht werden. Andererseits können die elektrischen Zuleitungen isoliert sein, aodass die Buchsen 20 und 21 unnötig sind. Weiterhin ist nioht erforderlich, dass die Brenn-

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stoffelementkonstruktion die Konfiguration von ebenen Elektroden hat, ^s können Brennstoffelementkonstruktionen, die rohrförmige Elektroden zusammen mit bohrungsförmigen Elektrolytbauteilen oder rohrförmigen Elektrolytbauteilen enthalten, verwendet werden» Schliesslich brauchen die Gehäuse-Haitevorrichtungen nicht aus einem elektrisch leitendem Material , wie es gezeigt ist, gebildet sein, sondern sie können aus isolierendem Material, wie Keramik oder Glas gebildet sein.

Der Betrieb eines nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Brennstoffelements kannmit Bezug auf ein Brennstoffelement der in der Zeichnung gezeigten Konfiguration dargestellt werden, die ein aus einer Magnesiumoxyd-Doppelporen-Matrix und aus Alkalikarbonat-Elektrolyt gebildetes Elektrolytbauteil hat. Das Brennstoffelement wird zuerst durch nicht gezeigte, aussen befindliche Einrichtungen auf eine ausreichend hohe Temperatur geheizt, damit das Alkalikarbonat eine geschmolzene Flüssigkeit wird. Bei Verwendung von Elektrolyten, die Mischungen aus Lithium-, Natrium- und Kaliumkarbonat enthalten, reicht ein Aufheizen des Clements auf Temperaturen im Bereiche von 400° G bis 800° C dazu aus, die Karbonatmischung zu schmelzen. Der Elementbetrieb beginnt, wenn Wasserstoff mit der Anode und ein Kohlendioxyd-Sauerstoffgemisch mit der Kathode in Berührung kommt. Eine bevorzugte Oxydationsmischung zum Betrieb einer Alkalikarbonatζeile besteht aus ungefähr 33 Volumenprozenten Sauerstoff und ungefähr 67

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Volumenprozenten Kohlendioxyd. Der zur Anode des Elements zugeführte Wasserstoff dringt bei erhöhten Temperaturen hindurch und reagiert an der Oberfläche des der Anode benachbarten Elektrolytbauteils mit Karbonationen in dem Elektrolyten und erzeugt dabei Wasser und Kohlendioxyd unter Abgabe von Elektronen, die in der Anode gesammelt werden. Die Reaktion der Anode kann durch folgende Reaktionsgleichung dargestellt werden:

+ CO₃"² } H₂O + CO₂ + 2e

Durch den geschmolzenen Elektrolyten können -die Karbonationen zur Anode wandern. Kohlendioxyd kann durch die Makroporen der Doppelporenmatrix zur Kathode, gelangen. Das Einströmen des Kohlendioxyd-Sauerstoffgemisches zur ihm ausgesetzten Kathodenoberfläche hat zur ^olge, dass der Sauerstoff durch die poröse Kathode hindurchdringt und nachfolgend eine Reaktion an oder in der Nähe der Oberfläche des der Kathode benachbarten Elektrolytbauteils des Sauerstoffs mit dem Kohlendioxyd wie folgt stattfindet:

2e + 1/2O₂ + CO₂ ^ CO₃

Aus der obigen Gleichung ist zu entnehmen, dass die Reaktion an der Kathode zwei Elektronen erfordert, die durch die Elektronenwanderung von der Anode durch den äusseren Kreis geliefert werden.

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In der entsprechenden, herkömmlichen Brennstoffelement-Konstruktion, in der die Kathode und die Anode beide porös sind, und das Elektrolytbauteil aus einer Matrix mit nur Mikroporen gebildet ist, die mit Elektrolyt gefüllt sind, findet der Elementbetrieb in ganz anderer Weise statt. Die Reaktionsprodukte, wie Kohlendioxyd und Wasser werdenö-n den Brennstoff geleitet und nicht in das Oxydationsgas, was eine Verdünnung und Verschwendung des Brennstoffs ergibt. Weiterhin wird dadurch, dass das als ein Element-Reaktionsprodukt gebildete Kohlendioxyd das Element durch die Anode verlässt, mehr Kohlendioxyd erforderlich, um die herkömmliche Brennstoffelement-Konstruktion zu betreiben, als notwendig wäre, wenn das Kohlendioxyd zur Kathode zurückgeführt würde. Schliesslich ist, wie in der vorliegenden Erfindung, die Verwendung einer nicht-porösen Anode, um die Verwässerung des Brennstoffs mit Element-Reaktionsprodukten zu verhindern, nicht möglich, da das herkömmliche -^lektrolytbauteil für das Gas nicht porös ist und die Reaktionsprodukte zwischen der Anode und dem Elektrolytbauteil einschliesst. Dadurch wird der Ionen-Kontakt zwischen der Anode und dem Elektrolyten zerstört.

Beispiel 1

Ein Elektrolytbautei1 wurde dadurch gebildet, dass zuerst eine Doppelporen-Matrix geformt wurde und diese dann mit Elektrolyt getränkt wurde.

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Durch ein Sieb mit 78,8 Maschen/cm hindurch passierte Kagnesiumöxyd-Teilchen wurden zuerst in einer wässrigen Magnesiumchloridlösung mit 24° Baum£ aufgeschlämmt. Die Aufschlämmung wurd in eine Form mit 63,5 mm Durchmesser und 12,7 mm Tiefe gegossen, die vorher mit Naphthalinteilchen gefüllt wurde. Die Teilchen des verwendeten Naphthalins besassen einen Durchmesser von etwa 1,17 mm bis 0,84 mm. Das Wasser wurde aus der gegossenen Scheibe durch Vakuum durch den porösen Boden der Form entfernt, und das restliche Magnesiumchlorid reagierte mit dem Magnesiumoxyd, wodurch sich die Festigkeit erhöhte. Das Gusstück wurde dann in der Form 16 Stunden lang bei 80 G bis 90° C erwärmt, was zum vollständigen Verdampfen des Naphthalins führte. Dadurch wurde der endültige Doppelporenaufbau in dem Keramikteil geschaffen. Die Scheibe wurde dann aus dem Form-Hohlraum entfernt und bei 1800° C gebrannt, um das Keramikteil vollständig zu altern. Danach erfolgte eine langsame Abkühlung über eine Zeitdauer von 12 Stunden auf Raumtemperatur. Die Doppelporen-Matrix für das ülektrolytbauteil wurde durch Abschneiden einer 4,76 mm Endscheibe von der gebrannten Scheibe erreicht. Die Doppelporen-Matrix wurde mit 8,5 Gramm einer Mischung aus gleichen Gewichtsteilen von Lithiumkarbonat, Natriumkarbonat und Kaliumkarbonat getränkt. Von der verwendeten KLektrolytmenge war ermittelt worden, duu3 sie dazu ausreicht, die durch die ^wischehräume zwischen den Magneaiumoxyd-Teiichen gebildeten Mikroporen zu füllen, dass sie aber nicht dazu ausreicht, die Makroporen zu übert ricken oder zu verstopfen, die nach der Entfernung der Naphthalin-

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kristalle durch die verbleibenden leeren Räume gebildet wurden.

Beispiel 2

Für Vergleichszwecke wurde ein herkömmliches Elektrolytbauteil gebildet. Die Matrix wurde nach dem in Beispiel 1 ausgeführten Verfahren gebildet, ausgenommen, dass in die Form zur AeIt des Giessens keine iiaphthalinkri stalle eingebracht wurden. Deshalb wurden keine Makroporen gebildet. Die Matrix wurde mit einer Dicke von 2,38 mm hergestellt. Die Matrix wurde mit einer Mischung von gleichen Gewichtsteilen von Lithium-, Natrium- und Kaljsnkarbonat in der herkömmlichen Weise getränkt, sodass sie etwa 3,5 bis 4 Gramm enthielt.

Beispiel 3

Jedes der durch die Beispiele 1 und 2 gebildeten Elektrolytbauteile wurde mit einer Kathode durch gleichmässiges Flammspritzen einer Hauptoberfläche mit 3,38 Gramm Silber versehen, damit sich eine ungefähr 0,79 mm dicke, poröse Silberschicht ergab. Jedes der Elektrolytbauteile wurde mit einer Anode·versehen. Dies erfolgte durch Pressen einer etwa 0,076 mm dicken, nicht-porösen, wasserstoffdurchlässigen Palladium-Silber-Legierungs-Folie auf die der Kathode entgegengesetzte Fläche der Matrix. Die Legierungs-Folie bestand im wesentlichen aus 75 Gewichtsprozenten Palladium und 25 Gewichtsprozenten Silber.

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Beispiel 4

Das durch das Verfahren des Beispiels.1 gebildete Elektrolyfbauteil mit Elektroden, die durch das Verfahren des Beispiels 3 erzeugt wurden, wurde in einem brennstoffelement der in der Zeichnung gezeigten Bauart eingebaut. Das Element wurde bei 600 C betrieben. Ein aus im wesentlichen 33 Volumenprozenten Sauerstoff und 67 Volumenprozenten Kohlen dioxyd bestehendes Oxydationsgas wurde der Kathode mit etwa 150 cm /min zugeführt. Zur Anode wurde Wasserstoff mit ungeführ 150 cm /min zugeführt. Es wurden folgende Versuchsergebnisse erhalten:

Tabelle I Volt Milliampere

0,92 0

0,86 104

0,80 235

0,70 497

0,60 760

0,50 1050

0,40 1380

Beispiel 5

Das durch das Verfahren des Beispiels 2 gebildete und mit Elektroden nach dem Verfahren des Beispiels 3 versehene Elektrolytbauteil wurde in einem Brennstoffelement der in der Zeichnung gezeigten Bauart eingebaut. Das Element wurde

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bei etwa 700° G "betrieben. Ein im wesentlichen aus 33 Volumenprozenten Sauerstoff und 67 Volumenprozenten Kohlendioxyd bestehendes Oxydationsgas wurde der Kathode mit etwa 150 cm /min zugeführt. Der Anode wurde Wasserstoff mit etwa 150 cm /min zugeführt. Es wurden folgende Versuchsergebnisse erhalten:

Tabelle II Volt Milliampere Bemerkungen

0,82 0 Anfangsablesung ohne Last bei

700° C

0,30 630 Anfangsablesung mit Last bei

700° C

0,27 0 24-Stundenbetrieb, Ablesung ohne

Last bei 700° 0

0,22 230 24-Stundenbetrieb, Ablesung bei

Last bei 700° C

Nach Zerlegung des Brennstoffelements wurde bemerkt, dass die Anode von dem Elektrolytbauteil an allen Stellen weggedrückt war, ausgenommen dort, wo sie in direkter Berührung durch das Gehäuseteil gehalten war. Es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass das an der Anode gebildete Wasser nicht zur Kathode transportiert werden kann. Weiterhin wird angenommen, dass durch das Ausbauchen der Anode und die dadurch bedingte Verminderung des ionischen Kontaktes mit dem Elektrolyt bau teil das rasche Absinken der Leistung des l'jlfjiriontn verursacht wird.

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Claims

Pat entansprüche

1. Elektrolytbauteil, gekennzeichnet durch eine Doppelporen-Matrix mit Mikroporen und Makroporen von grösserem Durchmesser als dem der Mikroporen, sowie durch eine innerhalb der Mikroporen befindlichen Elektrolyt,

2. Elektrolytbauteil, gekennzeichnet durch eine aus feuerfestem aus Teilchen bestehendem Material gebildete Doppelporen-Matrix mit Makroporen und durch Zwischenräume gebildeten Mikroporen, sowie durch einen innerhalb der durch Zwischenräume gebildeten Mikroporen der Matrix befindlichen Elektrolyt.

3. Elektrolytbauteil, gekennzeichnet durch eine Doppelporen-Matrix, die eine geformte Masse aus feuerfesten Teilchen

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umfasst, wobei die Matrix als Zwischenräume zwischen den feuerfesten Teilchen gebildete Mikroporen sowie Makroporen mit einem grösseren durchschnittlichen Durchmesser als dem der Mikroporen hat, sowie durch einen in den Mikroporen befindlichen Elektrolyt,

4. Elektrolytbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt Alkalikarbonat ist,

5. Elektrolytbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus einer eutektischen Mischung aus Alkalikarbonaten besteht,

6. Brennstoffelement, gekennzeichnet durch ein Elektrolytbauteil, das eine Doppelporen-Matrix mit Mikroporen und Makroporen mit grösserem Durchmesser als dem der Mikroporen einschliesst, sowie einen in den Mikroporen befindlichen Elektrolyt, durch mit den auseinanderliegenden Oberflächen des Elektrolytbauteils in Berührung befindliche Elektroden und durch zu den Elektroden getrennt Oxydationsmittel und Brennstoff liefernde Einrichtungen.

7. Brennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste der Elektroden porös ist, und dass eine zweite der Elektroden eine nicht-poröse, gasdurchlässige Metallfolie ist.

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8, Brennstoffelement, gekennzeichnet durch ein Elektrolytbauteil, das eine aus feuerfestem, aus Teilchen gebildetem Material hergestellte Doppelporen-Matrix, die Makroρoren und durch Zwischenräume gebildete Mikroporen hat ι und einen in den aus Zwischenräumen gebildeten Mikroporen der Matrix befindlichen Elektrolyt einschliesst, sowie durch eine mit einer Oberfläche des Elektrolytbauteils in Berührung befindliche Kathode und durch eine mit der verbleibenden Oberfläche des Elektrolytbauteils in Berührung befindliche Anode, sowie durch Einrichtungen, die Oxydationsmittel und Brennstoff getrennt jeweils zur Kathode und zur Anode liefern.

9. Hochtemperatur-Brennstoffelement, gekennzeichnet durch ein Elektrolytbauteil, das eine Doppelporen-Matrix aus einer geformten Masse von feuerfesten Teilchen enthält, wobei die Matrix aus Zwischenräumen gebildete Mikroporen zwischen den feuerfesten Teilchen hat, wobei die Matrix weiter ein Netzwerk aus Makroporen mit einem grösseren durchschnittlichen Durchmesser als dem der Kikroporen hat, und einen in den aus Zwischenräumen gebildeten Mikroporen der Matrix befindlichen Elektrolyt, sowie durch eine mit einer Oberfläche des Ülektrolytbauteils in Berührung, befindliche Kathode und durch eine mit der verbleibenden Oberfläche des Elektrolytbauteils in Berührung befindliche Anode und durch Einrichtungen, die getrennt Oxydationsmittel und Brennstoff jeweils zur Kathode und Anode liefern·

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10. Brennstoffelement, gekennzeichnet durch ein Elektrolytbauteil, das eine Doppelporen-Matrix mit Mikroporen und Makroporen mit grösserem Durchmesser als dem der Mikroporen und einen in den Mikroporen befindlichen Elektrolyten enthält, sowie durch eine, mit einer Oberfläche des Elektrolytbauteils in Berührung befindliche Kathode, eine nicht-poröse, gasdurchlässige, mit der verbleibenden Oberfläche des Elektrolytbauteils in Berührung befindliche Anode sowie durch Einrichtungen zur getrennten Lieferung von Oxydationsmittel und Brennstoff jeweils zur Kathode und zur Anode.

11. Hochtemperatur-Brennstoffelement, gekennzeichnet durch ein Elektrolytbauteil, das eine aus einer geformten Masse von feuerfesten Teilchen bestehende Doppelporen-Matrix enthält, wobei die Matrix durch Zwischenräume zwischen den feuerfesten Teilchen gebildete Mikroporen enthält, und die Matrix ein Netzwerk von Makroporen mit einem grösseren Durchmesser als dem der Mikroporen hat und sich in den durch Zwischenräume gebildeten Mikroporen der Matrix Alkalikarbonat befindet, sowie durch eine poröse, mit einer Oberfläche des Elektrolytbauteils in Berührung befindliche Kathode und eine nicht-poröse, in Berührung mit der verbleibenden Oberfläche des Elektrolytbauteila befindliche, brennstoffdurchlässige Anode, sowie durch Einrichtungen zur getrennten Lieferung von Oxydationsmittel und Brennstoff jeweils zur Kathode und zur Anode.

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