DE1596108A1

DE1596108A1 - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1596108A1
Application number: DE19661596108
Authority: DE
Inventors: Baker Albert Edward; Edward Charlmers Jun; Rigopulos Peter Nicholas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-01-14
Filing date: 1966-01-14
Publication date: 1971-03-18
Also published as: US3522095A; GB1119085A; CH492308A; GB1119084A; FR1462920A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffelemente, die Ionenaustauschmembranen enthalten, und besonders auf geschichtete Ionenaustauschmembranen, auf geschichtete Ionenaustauschmembran-Elektroden-Anordnungen und auf Verfahren zu ihrer Herstellung.

Wie in den USA-Patenten Nr. 2 913 5li und Nr. 3 13* 697 erläutert ist, können Ionenaustauschmembranen vorteilhaft als Elektrolyte in Brennstoffelementen verwendet werden. In dem typischen Aufbau einer Brennstoffzelle stellt die Ionenaustausohmembran im wesentlichen eine Einrichtung dar, welche das Element in eine Brennstoff mittel kammer und eine Oxydationsmittelkammer trennt. Irgendeine Öffnung in der Trennwand, sei es eine Bruohstelle oder nur ein kleines Looh, führt zu einer Vermischung

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrm®AD 8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon ι 2921 02 · Telegramm-Adresse: lipatli/München

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OppenauerBüro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

des Brennstoffes mit dem Oxydationsmittel und damit zu einer verminderten Leistungsabgabe des Elementes oder zu einem Defekt.

Die Wirksamkeit einer als Scheidewand benutzten Ionenaustauschmembran kann durcb eine Vielzahl von Faktoren beeinträchtigt werden. Kleine Löcher, Risse oder eingeschlossene Luftblasen, welche allgemein als "Fischaugen" bezeichnet werden, sind bekannte Störstellen in geschichteten Kunststoffmaterialien und diese können auch in der Membran auftreten, wenn diese im Brennstoffelement angebracht wird. Hinzu kommt, daß endlos hergestellte Kunststoffschichten oftmals längs der Achse des Materialflusses ausgerichtete Moleküle besitzen. Solche Stoffe sind anisotrop und zeigen quer zur Richtung der Molekülanordnung eine geringere mechanische Festigkeit.

In einer in einem Brennstoffelement angebrachten Ionenaustauschmembran können Mechanische Spannungen auftreten. Aufgrund eines großen Druckunterschiedes zwischen beiden Kammern, der beispielsweise durch eine fehlerhafte Unterbrechung oder eine Hit Überdruck erfolgende Versorgung mit Brennstoff oder Oxydationsmittel auf einer Seite der Membran entstehen kann, kann die Membran platzen. Ferner kann durch wiederholte Störungen des Druckgleiohgewichtes zwischen der

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Brennstoff- und der Oxydationsmittelseite der Membran während des Betriebes, diese zuerst in der einen und dann in der anderen Richtung solange durchgebogen werden, bis sie infolge Ermüdung bricht. Schließlich können örtlich begrenzte schwache Stellen in der Struktur der Ionenaustauschmembran zu begrenzten Bereichen mit erhöhter Temperatur auf der Membran führen, wodurch diese elektrochemisch leichter angreifbar und damit zersetzbar wird, was sich in einem Defekt der Trennwand äußert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Brennstoffelement zu liefern, das eine Ionenaustauschmembran mit größerer innerer Festigkeit und verstärkter Trennwandwirkung besitzt.

Das zu schaffende Brennstoffelement soll auch eine Membran-Elektroden-Anordnung mit größerer innerer Festigkeit, verstärkter Trennwandwirkung und gesteigerter katalytischer Wirkung aufweisen.

Ferner sollen verbesserte Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschmembranen und Membran-Elektroden-Anordnungen geliefert werden.

Diese und andere Aufgaben und Ziele der Erfindung sind dadurch erreichbar, daß das Brennstoffelement mit einer geschichteten Ionenaustauschmembran versehen wird.

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Die Elektroden können in der herkömmliehen Weise oder mittels eines Ionenaustauschklebestoffes mit der geschichteten Membran verbunden werden. Ionenaustauschmembranschichten können ebenfalls mit solchen Bindemitteln, etwa aus einem Elektrokatalysator und einem synthetischen Harz bestehenden Mischungen oder Ionenaustauschklebestoffen, verbunden werden. Andererseits können solche Schichten unmittelbar durch Verwendung von korrosionsfesten, durchlöcherten oder körnigen Verbindungselementen verbunden werden. Die Schichten können zum Zweck ihrer Schichtung mit Quellmitteln oder, im Falle von fluorhaltigen, polymeren Stoffen, mit chemischen Abbauprodukten vorbehandelt werden. Die vorbehandelten Schichten können auch ohne Bindemittel oder Bindeelemente vereinigt werden. Schließlich können die Schichten zur Bildung einer Ionenaustauschmembran auch durch Anwendung von Vibration hoher Frequenz verbunden werden.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnungen erläutert, die zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht eines in Übereinstimmung mit dieser Erfindung gebauten Brennstoffelementes;

Fig. 2 einen durch 2-2 der Fig. 1 gelegten Längsschnitt;

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Versuchseinrichtung für das Brennstoffelement.

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Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Ionenaustauschmembran wird aus ionenaustauschenden, in Schichten vorliegenden Harzen hergestellt. Diese Harze beinhalten in ihrer polymeren Struktur ionisierbare Radikale, wobei eine Ionenkomponente hiervon in der polymeren Grundsubstanz fest- oder zurückgehalten wird und wobei wenigstens eine Ionenkomponente ein bewegliches, ersetzbares Ion ist, das mit der festgehaltenen Komponente elektrostatisch verknüpft ist. Ionenaustauschende Harze sind entweder Kation-Austauschharze oder Anion-Austauschharze, je nachdem ob ihr bewegliches Ion ein Kation oder ein Anion ist. Entsprechende spezielle Beispiele für ionenaustauschende Harze werden in den oben erwähnten Patentschriften von Grubb und Niedrach genannt. Die Aufbereitung und die Eigenschaften einer ganzen Anzahl verschiedener ionenaustauschender Harze sind darüberhinaus in der Literatur und besonders beschrieben in: ION EXCHANGE, Naohod, Academic Press, Inc. New York (1950); ION EXCHANGE RESINS, Kunin and Myers, John Wiley and Sons, Inc., New York (Ι95θ); STYRENE, ITS POLYMERS AND COPOLYMERS AND DERIVATES, Boundy and Boyer, Reinhold, New York (1950); ferner in folgenden USA-Patenten: Nr. 2 366 007 und 2 366 008 von D'Alelio; Nr. 2 663 702 von Kropa; Nr. 2 664 397 von Hutchinson; Nr. 2 678 306 von Ferris; Nr. 2 658 042 von Johnson; Nr. 2 681 319, 2 6I8 320 und 2 827 426 von Bodamer; und Nr. 3 133 889 von Hazenberg.

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Die Herstellung dieser ionenaustauschenden Harze in Form von Membranen oder Platten ist in der Technik ebenfalls wohlbekannt. Im allgemeinen sind diese Membranen in zwei Ausführungen anzutreffen: Der mosaikförmigen oder heterogenen Art, bei der Körnchen eines ionenaustauschenden Harzes in der geschichteten Grundsubstanz eines geeigneten Bindemittels, beispielsweise einem Bindemittel aus Polyäthylen oder Polyvinylchlorid, eingeschlossen sind; und der einheitlichen oder homogenen Art, bei der das ionenaustauschende Harz die ganze Membran bildet oder mit der polymeren Grundsubstanz einheitlich und molekular vermischt ist. Das oben erwähnte Patent von Hazenberg erläutert ein Verfahren zur Herstellung einer Membran, die aus einem mit einer polymeren Grundsubstanz molekular vermischten, ionenaustauschenden polymeren Stoff besteht, während das USA-Patent Nr. 2 827 von Bodamer ein Verfahren zur Herstellung einer Membran aus einem heterogenen polymeren Stoff beschreibt. Die Herstellung ionenaustauschender Membranen wird z.B. zusätzlich beschrieben in AMBERPLEX ION PERMEABLE MEMBRANES, Rohm und Haas, Philadelphia (1952) und in den in dieser Veröffentlichung genannten Bezugsquellen. Ferner wird die Anfertigung einer ganzen Anzahl verschiedener Ionenaus tauschmembranen im USA-Patent Nr. 2 636 851 Ton Juda et al und im USA-Patent Nr. 2 702 272 von Kasper beschrieben.

Ionenaustauschmembranen sind einheitliche Platten

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oder Folien aus synthetischem Harz, das 10 bis 60 Gewichtsprozente Wasser enthält. Das Wasser wird in der Membran sekundär durch Van der Waalssche Kräfte gehalten und dient als Transportmedium, welches eine Wanderung der beweglichen Ionen gestattet.

Eine in einem Brennstoffelement angebrachte Ionenaustauschmembran muß sowohl imstande sein, bewegliche Ionen zwischen ihren Oberflächen zu führen, als auch eine körperliche Trennwand zu bilden, welche das Element in getrennte Brennstoff- und Oxydationsmittelkammern teilt. Obgleich die Dicke einer Ionenaustauschmembran im allgemeinen in umgekehrter Beziehung zu ihrer Wirksamkeit als Ionenleiter oder Elektrolyt steht, ist eine Verminderung der Dicke aufgrund ihrer Wirkungsweise als Trennwand und der damit verbundenen strukturellen Erfordernisse begrenzt. Die Wahl der Membrandicke kann sehr verschieden ausfallen, je nachdem ob Gewicht auf die unmittelbare Leistungsabgabe oder auf allgemeine Betriebssicherheit des Elementes gelegt wird. Die Dicke von Ionenaustausch membranen schwankt zwischen etwa 0,05 und 0,75 mm.

Es wurde festgestellt, daß Brennstoffelemente mit geschichteten Ionenaustauschmembranen eine größere Betriebssicherheit besitzen als Brennstoffelemente mit

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herkömmlichen, einheitlichen Ionenaustauschmembranen äquivalenter Dicke. Obwohl irgendeine gewünschte Anzahl Schichten zum Aufbau einer geschichteten Membran bestimmter Dicke verwendet werden kann, zeigen sich die Vorteile der Erfindung bei Verwendung von nur zwei Schichten. Die beiden benachbarten Schichten müssen so miteinander verbunden werden, daß der dazwischenliegende Übergang elektrolytisch leitend ist und einen Austausch von Ionen zwischen den Schichten erlaubt.

Ein Bindemittel zur Vereinigung von Ionenaustausehmembranschichten besteht aus einer Mischung eines Elektrokatalysators mit einem synthetischen Harz. Im allgemeinen entfallen auf die aus synthetischem Harz bestehende Komponente vorzugsweise 5 bis 50 Gewichtsprozente. Der Elektrokatalysator wird in fein verteilter Form vorzugsweise als Pulver verwendet, um eine möglichst große Oberfläche pro Gewichtseinheit zu erzielen. Das synthetische Harz und der Katalysator können als Pulver oder als wässeriger Brei vermischt werden.

Die als Elektrokatalysator verwendeten Stoffe sind vorzugsweise edle Metalle der Gruppe VIII des Periodischen Systems, vor allem Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin. Andere geeignete Stoffe ent_T halten weitere Metalle der Gruppe VIII, z.B. Nickel, Kobalt und Eisen; Metalle der Gruppe IB, z.B. Kupfer, Silber und

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Gold; Metalle der Übergangsgruppen, z.B. Mangan, Vanadium, Rhenium und dergleichen. Aufgrund des sehr sauren Charakters von Kation-Austauschmembranen, werden vorzugsweise nur die edlen Metalle der Gruppe VIII in diesem Zusammenhang benutzt, da eine Korrosion der Metalle die Lebensdauer des Elementes verkürzt. Bei der Benutzung von basischen Anion-Austauschmembranen besteht kein solches Korrosionsproblem und es kann irgendeiner der obengenannten Elektrokatalysatorstoffe verwendet werden.

Eine große Anzahl synthetischer Harze kann als Bindemittel verwendet werden. Polytetrafluoräthylen ist deswegen ein bevorzugtes Bindemittel, weil es sehr stabil und inert ist. Andere verwendbare synthetische Harze bestehen aus Polytrifluorchloräthylen, Polytrifluoräthylen, Vinyliden-Fluorid und aus fluorfreien, polymeren Stoffen wie Polyäthylen, Polypropylen, Vinyliden-Chlorid, Polystyrol und dergleichen. In allgemeinen soll das im Bindemittel verwendete synthetische Harz wenigstens genau so chemisch stabil sein, wie die zu vereinigenden Membranschichten.

Ein anderes Bindemittel zur Verbindung von Schichten und zur Herstellung einer Ionenaustauechmembran besteht aus eine« ionenaustauschenden Klebstoff. Jedes synthetische Harz, das Ionenaustauscheigensohaften und Klebe-

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eigenschaften besitzt, ist anwendbar. Zur Verbindung von Schichten, welche Kationen austauschen, muß ein Klebestoff mit Kation-Austauscheigenschaften, etwa Phenol-Formaldehyd-Sulfonsäure, ein sulfoniertes Styrol-Divinyl-Benzol-Copolymer und dergleichen verwendet werden. Anionaustausch-Klebemittel zur Verbindung von Schichten, welche Anionen austauschen, können durch Substitution von Phenol-Formaldehyd-Harz, Styrol-Divinyl-Benzol-Copolyraere, Melamin-Formaldehyd-Harz, Polyalkylen-Polyamin-Formaldehyd-Harz und dergleichen mit basischen Amino-Gruppen, quaternären Ammoniumbasen, der Guanidin-Gruppe, der Dicyandiamidine-Gruppe und anderen stickstoffhaltigen basischen Gruppen hergestellt werden. Das als Ionenaustauschklebestoff verwendete synthetische Harz kann durch verschiedene Verfahren geeignet klebrig gemacht werden. Das Harz erhält Klebewirkung, indem man es in einer wässerigen Lösung oder in monomerer oder teilweise polymerisierter Form verwendet. Im Falle thermoplastischer synthetischer Harze kann die Haftwirkung durch Erwärmen während des Beschichtens erzielt werden.

Anstatt ionenleitende Bindemittel der obengenannten Art zu verwenden, können die einander benachbarten Schichten auch direkt zu einer Ionenaustauschmembran verbunden werden. Bei der direkten Verbindung ionenaustauschender Schichten wird vorzugsweise zwischen benachbarte Schichten eine Einrichtung gebracht, welche durch Pressen die

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Schichten rait den zu verbindenden Flächen innig und mit der Fähigkeit zur Ionenleitung mechanisch verbindet. Durchlöcherte Materialien bestehen vorzugsweise aus gewebten Draht- oder Faserplatten, dünnfilziger Watte, gestreckten Metallfolien, durchlöcherten Platten und dergleichen. Andererseits kann auch ein aus besonders eckigen Körnern bestehendes Material verwendet werden. Die Bindeelemente können irgendeine Form aufweisen, welche durch Pressen die Schichten zusammenhalt und gleichzeitig einen direkten Kontakt zwischen den Ionenaustauschschichten an der Übergangsfläche bewirkt. Die Bindeorgane sollten aus korrosionsfestem Material, z.B. Glas, Asbest, rostfreiem Stahl, widerstandsfähigen Stoffen und dergleichen bestehen. Ein bevorzugtes Bindeorgan ist ein gestrecktes Metallgitter aus Titan, welches 0,2 Gewichtsprozente Palladium enthält. Andere bevorzugte Bindeorgane bestehen aus Nickel, Tantal und Gittermaterialien aus rostfreiem Stahl.

Vor der Benutzung der obengenannten Bindemittel oder Bindeorgane kann es zweckmäßig sein, die zu verbindende Oberfläche einer oder jeder der verwendeten Schichten zu präparieren. Quell-Lösungsmittel wie Azeton, Chloroform, DimethylsulfQxyd, Azetamid usw. erleichtern im allgemeinen die Beschichtung. Die zur Quellung benutzten Lösungen können auf die Schichtoberfläche durch Bestreichen aufgetragen, oder die Schicht kann in die zur Quellung benutzte Lösung getaucht werden.

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Fluorhaltige polymere Stoffe sind gegenüber gewöhnlichen Quellungslösungen ziemlich inert. Solche polymere Stoffe können mit Lösungen vorbehandelt werden, welche diese Polymerisationsprodukte chemisch angreifen und ihnen einen Teil der Fluoratome entziehen. Eine solche Lösung besteht aus metallischem Natrium und Naphthalin in gleichmolaren Anteilen. Das Naphthalin ist in reichlich Tetrahydrofuran gelöst. Eine andere Lösung besteht aus gleiehmolaren Teilen von metallischem Natrium und flüssigem, wasserfreien Ammoniak. Nach Berührung mit den chemisch angreifenden Mitteln werden die polymeren Stoffe sorgfältig in inerten Flüssigkeiten gespült. Das Spülen sollte normalerweise in zwei Stufen erfolgen: Zuerst mit einem Quellung verursachenden Lösungsmittel der obengenannten Art oder mit einem Kohlenwasserstoff wie z.B. Toluol und abschließend mit Wasser.

Ionenaustauschende Schichten, die mit Quellung verursachenden Lösungen oder chemisch angreifenden Mitteln der obengenannten Art vorbehandelt wurden, sind vorzüglich zur Beschichtung unter Verwendung irgendeines der beschriebenen Bindemittel oder Bindeorgane geeignet. Andererseits können solche vorbehandelten Schichten direkt und ohne Anwendung irgendwelcher Bindemittel oder Bindeorgane verbunden werden.

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Die Schichten, welche eine geschichtete Ionenaustauschmembran bilden sollen, werden zusammen mit einem zwischen benachbarten Schichten angebrachten Bindeorgan oder Bindemittel aufeinandergeschichtet. Wenn wenigstens eine der eine Zwischenlage bildenden Schichten vorbehandelt wurde, kann das Bindeorgan oder das Bindemittel daraus weggelassen werden.

Vorzugsweise werden beim Beschichten die einzelnen Schichten so ausgerichtet, daß das anisotrope Verhalten der geschichteten Membran beseitigt oder wenigstens minimal wird. Bei den meisten kontinuierlichen Bearbeitungstechniken für polymere Kunststoffe, wird ein bestimmter Grad molekularer Ausrichtung in den Stoffen bewirkt. Dies ist das Ergebnis einer einseitigen Beanspruchung in Richtung einer Achse, wie es bei längs einer Arbeitslinie kontinuierlich gezogenen Folien oder Streifen aus einem polymeren Stoff der Fall ist. Jedes Verfahren zur Kunststoffbearbeitung, bei dem eine Beanspruchung längs einer Achse auftritt, bewirkt ein gewisses Maß an Anisotropie in den polymeren Stoffen. Während die herkömmlichen, aus einen Stück bestehenden Ionenaustauschmembranen eine hohe Zugfestigkeit in Richtung der einachsigen Beanspruchung aufweisen, ist ihre mechanische Festigkeit in der dazu senkrechten Richtung, d.h. senkrecht zur Ausrichtung der Moleküle, erheblich geringer. Geschiohtete Ionenaustauschmembranen

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können mit merklich geringeren anisotropen Eigenschaften hergestellt werden, wenn auch die einzelnen Schichten selbst unverkennbar anisotrop sind, vorausgesetzt die Schichten werden relativ zueinander so angeordnet, daß ihre einachsigen besonderen Beanspruchbarkeiten insgesamt nicht mehr gerichtet sind. Bei der Herstellung einer geschichteten Membran aus zwei Schichten z.B. werden vorzugsweise die Richtungen der einachsigen Beanspruchbarkeit im rechten Winkel zueinander angeordnet. Bei drei Schichten wählt man ai besten einen Winkel von 6O°.

Der Schichtenstapel kann durch irgendeine herkömmliche Einrichtung, welche die notwendige Aktivierungsenergie aufbringt, verbunden werden. Im allgemeinen wird die Schichtung in einer Presse bewerkstelligt. Der von der Presse bewirkte Druck und die Temperatur und deren Dauer, sind voneinander abhängige Variable. Die Schichtung kann bei hohen Drücken und Raumtemperaturen oder auch mit normalen Drücken bei Temperaturen über etwa 15O⁰C bewirkt werden. Schichtung in unteren Temperatur- und Druckbereichen kann durch eine Erhöhung der Verweilzeit der Membran in der Presse erreicht werden. Verweilzeiten von 6O Minuten und mehr wurden als anwendbar gefunden. Im allgemeinen kommen bei der Schichtung Temperaturen bis etwa 175°C und Drücke bis etwa 1400 at in Betracht, Weder die Temperatur noch

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der Druck sind bei der Schichtung kritisch und ihre zweckmäßige Wahl ergibt sich aus den in dieser Technik gemachten Erfahrungen.

Die Anwendbarkeit dieser Erfindung ist jedoch nicht auf Preß-Schichtung begrenzt. Ein Schichtenstapel kann auch durch Hochfrequenzvibrationen verbunden werden. Eine Art der Vibrations-Schichtung besteht darin, eine Vibrationssonde mit einer Kontaktfläche von weniger als etwa

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1,6 cm hin und her über den Stapel zu ziehen, bis dieser geschichtet ist. Geeignete Vibratoren besitzen eine Frequenz von mehr als 1 KHz und geben eine Leistung von mindestens 5 W^ratt an den Stapel ab.

Bei der Verwendung von Vibrationsfrequenzen über 1 KIIz sind zur Schichtung eines Stapels weder eine Vorbehandlung noch Bindemittel oder Bindeelemente notwendig, obwohl sie alle zusammen mit einer Vibrationsbehandlung in Betracht kommen und bevorzugt werden.

Wenn die geschichtete Membran in einem Brennstoffelement benutzt werden soll, kann eine Elektroden-Membran-Anordnung durch irgendein bekanntes Verfahren hergestellt werden. Geeignete Elektroden zur Verwendung in Brennstoffelementen werden in den oben erwähnten USA-Patentschriften von Grubb und Niedrach angegeben. Eine bevorzugte Elektrode besteht aus einer Mischung von Platin-

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mohr mit 5 bis 25 Gewichtsprozenten Polytetrafluoräthylen (PTFÄ), welche auf ein als Stromsammler dienendes, gestrecktes Metallgitter aus mit 0,1 bis iO Gewichtsprozenten Palladium legiertem Titan aufgetragen wird. Eine solche Elektrode kann dadurch hergestellt werden, daß man eine Stromsammlervorrichtung gegenüber der oberen Preßplatte und ein verformbares, ablösbares Mittel, etwa eine Aluminiumfolie, auf der unteren Preßplatte anbringt. Die als Katalysator wirkende PTFÄ-Mischung wird auf das verformbare, ablösbare Mittel in der gewünschten Stärke aufgetragen. Dann drückt man den Stromsammler mit einer Kraft von etwa 140 bis 980 kp/cm in die als Katalysator dienende PTFÄ-Mischung, so daß sich die Gitteröffnungen füllen. Nach dem Preßvorgang löst man durch Behandlung mit Kaliumhydroxyd das Aluminium ab und neutralisiert die Kalilauge mit einer Säure. Zur abschließenden Spülung verwendet man destilliertes Wasser. Danach trocknet und sintert man die Elektrode. Andererseits kann die Elektrode auch ohne Benutzung eines Metallgitters hergestellt werden, wobei sie im wesentlichen so angefertigt wird, wie die Harz-Katalysator-Mischung, welche als Beschichtungsmittel Verwendung findet.

Die Elektroden können auf den geschichteten Membranen durch irgendein bekanntes Verfahren angebracht werden. Ein diesbezügliches bevorzugtes Verfahren besteht

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darin, die geschichtete Membran in einer "Sandwich-Anordnung" unter Anwendung von Wärme und Druck zwischen zwei Elektroden zu packen. Temperaturen und Drücke bewegen sich in weiten Grenzen, und zwar zwischen etwa 80⁰C und i20°C bzw. etwa i^O at und 210 at vorzugsweise.

Die Elektroden können entweder vor oder nach ihrer Montage in Elektroden-Membran-Anordnungen einer zusätzlichen Nässeschutzbehandlung unterzogen werden. Zahlreiche herkömmliche Verfahren können in diesem Zusammenhang angewendet werden. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, die außenliegende Oberfläche einer zur Elektroden-Membran-Anordnung gehörenden Elektrode mit einer wässerigen Lösung aus Polytetrafluoräthylen und Wasser zu versehen. Das Wasser kann danach aus der Elektrode durch Sintern bei Temperaturen über etwa 93°C oder eine Erwärmung der Elektrode für genügend lange Zeit über die Verdampfungstemperatur des Wassers ausgetrieben werden. ( Eine Sinterung kommt nur bei Zeitspannen von wenigstens 5 Minuten bis über eine Stunde zustande.

Ein anderes Verfahren zum Verbinden der Elektroden eines Brennstoffelementes mit der Ionenaustauschmembran besteht darin, einen ionenaustauschenden Klebestoff zu verwenden. Bei einem solchen Klebemittel sind die gleichen Überlegungen anzustellen, wie sie oben bezüglich ionenaustauschender Klebemittel für Ionenaus tauschschichten

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gemacht wurden. Die Elektroden können zur gleichen Zeit mit der geschichteten Membran verbunden werden, zu der auch der Schichtenstapel verbunden wird. Es kann angenommen werden, daß die Elektroden auch ait herkömmlichen, einheitlichen Membranen unter Verwendung ionenaustauschender Klebemittel verbunden werden können und daß dieses Verfahren in keiner Weise auf die Benutzung geschichteter Membranen beschränkt ist.

Die Verbindung von Elektroden mit geschichteten Membranen kann vor, während oder nach der Vereinigung der einzelnen Schichten geschehen. Wird die gleiche Verbindungsweise zur Vereinigung der Elektrode mit der Membran und der Membranschichten untereinander verwendet, so verbindet man alle Elemente am besten zur gleichen Zeit. Andererseits kann man erheblich verschiedene Drücke bei der Schichtung der Elektroden auf die Membranschichten benutzen, als zur Verbindung einzelner Membranschichten. In diesem Fall sind getrennte Schritte zur Herstellung notwendig.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellte Elektroden-Membran-Anordnungen sind allgemein in Brennstoffelementen mit Ionenaustausch»»— branen anwendbar. Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen und in Zusammenhang ait Brennstoffelementen weiter erläutert werden,

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Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Brennstoffelement 1, das mit einer geschichteten Ionenaustauschmembran 2 versehen ist, welche zwei an ihren gegenüberliegenden Seiten befindliche Elektroden 3 und k besitzt. Die geschichtete Membran 2 weist zwischen benachbarten Schichten eine ionenleitende Übergangsschicht 5 auf. Falls es gewünscht wird, können in die Übergangsschicht Bindemittel oder Bindeorgane gebracht werden. Zwischen der Elektrode 3 und der geschichteten Membran 2 befindet sich ebenfalls eine Übergangssohioht 6. Die Übergangsschicht ist ionenleitend und kann unter Verwendung herkömmlicher Verfahren zur Verbindung von Elektroden und Membran oder durch Benutzung eines ionenaustauschenden Klebemittels hergestellt werden. Eine ähnliche Übergangsschicht 7 wird zwischen der Elektrode k und der geschichteten Membran gebildet. Die Elektroden 3 und 4 bilden zusammen mit der geschichteten Membran 2 eine Elektroden-Membran-Anordnung. Die Anordnung wird zusammen mit an ihren gegenüberliegenden Seiten befindlichen Dichtungen S und 9 in der Brennstoffzelle angebracht. Die Dichtung 8 ist mit einer Brennstoffzuleitung 10 und einer Brennstoff-Abführleitung ii versehen. Die Dichtung 9 besitzt eine Oxydationszuleitung 12 und eine Oxydationsmittel-Abführleitung 13. Die Dichtung 8 bildet zusammen mit der öffnungslosen Platte 14 eine der Elektroden-Membran-

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Anordnung benachbarte Brennstoffkammer, während die Dichtung 9 und die lochfreie Platte 15 eine Oxydationsmittelkammer darstellen.

Die Endplatten 16 und 17 sind von den Platten Ik und 15 durch die Dichtungen 18 bzw. 19 räumlich getrennt. Die Platte Ik wird über die KUhlmittelzuleitung 20 in der Dichtung 18 mit Kühlmittel versorgt, welches durch die in der Dichtung 18 befindliche Leitung 21 abströmt. Die Platte 15 wird in ähnlicher Weise durch die Leitungen 22 und 23 in der Dichtung 19 mit Kühlmittel versorgt.

Das Brennstoffelement 1 wird durch Ziehbolzenanordnungen 2k zusammengehalten. Der elektrische Strom wird vom Element über die Anschlüsse 25 und 26 abgenommen, welche Verlängerungen der Elektroden 3 bzw. k sind.

Das Brennstoffelement 1 dient nur zur Erläuterung der Erfindung. Es ist z.B. nicht notwendig das Element mit einem Kühlmittel zu versorgen. Dementsprechend könnten eine oder beide Platten 14 und 15 und ebenso die Dichtungen 18 und 19 aus dem Aufbau des Elementes weggelassen werden. Eine größere Anzahl Schichten kann in der geschichteten Membran verwendet werden. ICs wurde eine Gegenstromanordnung für den Brennstoff- und Oxydationsmittelfluß durch das Element aufgezeigt, es kann

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jedoch auch eine "Gleich"-Stromanordnung benutzt werden, falls es gewünscht wird. Ferner ist eine "Kreuz"-Stromanordnung denkbar, indem eine der Dichtungen 8 und 9 um 90° versetzt wird. Für Fachleute sind noch zahlreiche Abwandlungen denkbar.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung mit der das Brennstoffelement 1 im Betrieb geprüft werden kann. Verwendet man z.B. Wasserstoff als gasförmigen Brennstoff, so wird dieser über die Leitung 27 in das Testrohr 28 geschickt. Das Testrohr enthält Wasser, wobei das untere Ende der Leitung 27 unter die Wasseroberfläche reicht, so daß der Wasserstoff sprudelnd aufsteigt und über die Wasserstoffzuleitung 10 in das Brennstoffelement gelangt. In ähnlicher Weise wird das Oxydationsmittel, z.B. Sauerstoff, über die Leitung 29, welche in das im Testrohr 30 befindliche Wasser hineinragt, zugeführt. Der aus dem Wasser aufsprudelnde Sauerstoff gelangt zur Oxydationsmittelzuleitung 12 des Brennstoffelementes.

Zur Erläuterung sei angenommen, daß Wasserstoff als Brennstoff, Sauerstoff als Oxydationsmittel und eine für Kationen durchlässige, geschichtete Membran benutzt werden. Dabei spielen sich an den Elektroden 3 bzw. k folgende in den Formeln dargestellte Reaktionen ab.

H₂ ^ 2H⁺ + 2e (1)

+ 2H⁺ + 2e —^ H₉O (2)

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Das auf der Sauerstoffseite der geschichteten Membran gebildete Wasser wird aus dem Element 1 durch die Oxydationsmittelableitung 13 entfernt und in einem Becher 31 gesammelt, während der übriggebliebene Sauerstoff durch die Leitung 32 entweicht.

In dem dargestellten besonderen Aufbau sind Dübel 33 erkennbar, womit die Vorrichtung auf einer Prüf— " platte befestigt werden kann, und es werden 3 Zweilochstöpsel 3k gezeigt, die als Dichtungen auf den Prüfrbhren und dem Becher sitzen.

Die zum Prüfen des Brennstoffelementes 1 benutzte elektrische Schaltung ist schematisch dargestellt. Zwischen den Anschlüssen 25 und 26 liegt ein Voltmeter 35· Bin Amperemeter 36 ist in einem getrennten, zwischen den Anschlüssen des Elementes liegenden Kreis in Reihe mit einem Verbraucher 37 geschaltet.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung und stellen keine Einschränkungen dar.

Die Beispiele wurden mit Ionenaustauschmembranen durchgeführt, welche aus mit Wasser gesättigtem, homogenen, gemischten, polymeren Plattenmaterial bestehen. Der gemischte polymere Stoff bestand ungefähr zu 88 Gewichtsprozenten aus einer polymeren Grundsubstanz und zu 12 Gewichtsprozenten aus einem ionenaustauschenden,

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polymeren Stoff. Die polymere Grundsubstanz war ein copolymerer Stoff aus Chlortrifluoräthylen und Vinyliden-Fluorid. Das Vinyliden-Fluorid ist mit 3,5 Gewichtsprozenten an dem copolymeren Stoff beteiligt. Das ionenaustauschende polymere Material war ein sulfonierter, copolymerer Stoff aus Styren und Divinylbenzol. Der Gewichtsanteil des sulfonierten Styrene am ionenaustauschenden, copolymeren Stoff betrug 99,28 Prozent, während das sulfonierte Divinylbenzol mit 0,72 Gewichtsprozenten beteiligt war. In jedem Beispiel betrug die Seitenlänge der Ionenaustauschmembran etwa 10 cm (etwa 100 cm Fläche), die der Elektroden etwa 7,6 cm (etwa 58 cm Fläche).

Beispiel 1

Zwei ionenaustauschende Schichten mit je einer Dicke von etwa 0,13 mm werden 2 Minuten lang in eine Lösung getaucht, die im wesentlichen aus einem Mol metallischen Natriums und einem Mol Naphthalin besteht, welche in genügend Tetrahydrofuran gelöst sind. Diese Lösung ist unter dem Warenzeichen ^wTetra-etch^M im Handel erhältlich. Nachdem die Schichten aus dieser Lösung wieder entfernt wurden, werden sie zuerst in einem Bad aus destilliertem Wasser, dann in Toluol, dann in Azeton und schließlich wieder in destilliertem Wasser gespült. Dann verbindet man die Schichten in

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einer Presse bei einem Druck von etwa 280 at und einer Temperatur von etwa 115°C, die 50 Minuten lang aufrechterhalten werden.

Beispiel 2

Aus k2 ionenaustauschenden Schichten mit je einer Dicke von etwa 0,076 mm werden 21 zwei lagige, geschichtete Membranen nach dem im Beispiel 1 erläuterten Verfahren hergestellt. Nach der Behandlung mit "Tetra-etch", aber vor ihrer Vereinigung, wurden jeweils auf eine von zwei Schichten eine dünne Lage Platinmohr mit iO Gewichtsprozenten Polytetrafluoräthylen mit Hilfe einer Übertragungsfolie aufgebracht, und zwar auf die zu verbindende Oberfläche. Das Platinmohr-Polytetrafluoräthylengemisch wurde als wässrige Mischung auf die Ubertragungsfläche aufgetragen und vor der Übertragung auf die Schicht getrocknet.

Beispiel 3

Zwei Schichten mit je einer Dicke von etwa 0,13 mm werden entsprechend dem im Beispiel 2 erläuterten Verfahren verbunden.

Beispiel k

Es wurde das in Beispiel 1 genannte Verfahren angewandt, jedoch mit der Ausnahme, daß nach der Behandlung mit "Tetra-etch", aber vor der Vereinigung, ein

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etwa 10 cm χ 10 cm großes Metallgitter zwischen die Schichten eingefügt wurde. Das Gitter besaß eine Dicke von etwa 0,076 mm und eine Drahtstärke von etwa 0,13 mm. Das Gitter hatte ferner eine Maschenanordnung von 5/0 nach US-Norm und war aus mit 0,2 Gewichtsprozenten Palladium legiertem Titan hergestellt.

Beispiel 5

Zwei Schichten mit je etwa 0,13 mm Dicke werden aufeinandergelegt. Eine Sonde mit einer Breite von etwa 1,6 mm wird gegenüber der oberen Schicht angebracht und mit einem Druck von etwa 3,5 at gegen die Schicht gepreßt. Die Sonde vibriert mit einer Frequenz von 20 KHz und nimmt etwa 400 Watt Leistung auf, wovon etwa 10 bis 20 Prozent auf die Schichten übertragen werden. Die Sonde benötigt nur wenig mehr als 10 Sekunden um einmal quer über die obere Schicht zu gleiten. Sie wird dort so lange hin und her bewegt, bis mit einer ganzen Serie solcher Gleitbewegungen die gesamte Oberfläche in einer Streifenbreite von je etwa 1,6 mm überstrichen wurde. Dann wird der Schichtenstapel um 90° gedreht und das Verfahren wiederholt.

Beispiel 6

Das im Beispiel 1 erläuterte Verfahren wurde angewandt, jedoch mit der Abwandlung, daß nach der Behandlung mit "Tetra-etch", aber vor der Vereinigung, „die

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Schichten mit einer wässerigen Lösung aus Phenol-Formaldehyd-Sulfonsäure bestrichen wurden. Die Lösung wurde durch Mischen von Phenol-Formaldehyd-Sulfonsäure mit einer gleichen Volumenmenge Wasser hergestellt. Diese Lösung wurde auf die Oberfläche der Schichten mit einem Pinsel aufgetragen.

Beispiel 7

Zur Herstellung von Membran-Elektroden-Anordnungen wurden 90 Elektroden präpariert. Jede der Elektroden wurde dadurch hergestellt, daß unmittelbar an der oberen Platte einer Presse ein Stromsammeigitter aus mit 0,2 Gewichtsprozenten Palladium legiertem Titan, welches eine Maschenanordnung von 5/o nach US-Norm besaß, angebracht wurde. Ein weiches Unterlegmaterial in Form einer Aluminiumfolie wurde gegenüber der unteren Preßplatte angeordnet. Eine spezielle Mischung aus Platinmohr und 10 Gewichtsprozenten Polytetrafluoräthylen wurde auf die Aluminiumfolie aufgetragen. Dann wurde der Stromsammler mit einem Druck von etwa 280 kp/cm in die Mischung gedrückt, so daß die Gitteröffnungen damit gefüllt wurden. Nach der Entfernung aus der Presse wurde die Elektrode mit Kaliumhydroxyd gespült, um alle Reste der Aluminiumfolie zu entfernen. Das übriggebliebene Kaliumhydroxyd wurde mit einer Säure neutralisiert und die Elektrode schließlieh in destilliertem Wasser gespült« Dana wurde sie getrocknet und bei

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einer Temperatur von mehr als etwa 93 C gesintert.

27 auf diese Weise hergestellte Elektroden erhielten eine zusätzliche, gegen Nässe schützende Behandlung, da sie die auf der Sauerstoffseite der Membran-Elektroden-Anordnung befindlichen Elektroden bilden sollten. Jede dieser Elektroden wurde unter einen Zerstäuber gebracht, der ein aus einer wässerigen Dispersion von Polytetrafluorätnylen bestehendes "

Mittel aufsprüht. Die Elektroden wurden so angebracht, daß die gegen Feuchtigkeit zu schützende Fläche außen liegt. Die Elektroden wurden ferner fortgesetzt im Sprühstrahl bewegt, so daß ein einheitlicher Belag entstand. Dann wurde zur Entfernung des Wassers die Elektrode auf eine Temperatur von etwa 127°C für eine Zeit von 10 Minuten erwärmt.

Beispiel 8

Membran-Elektroden-Anordnungen wurden dadurch hergestellt, daß eine Membran zwischen zwei Elektroden eingelegt und der Stapel dann zwischen Polyäthylen-Terephthalat-Folien und geeigneten druckverteilenden Platten angebracht wurde. Der Stapel wurde normalem Druck ausgesetzt und dann schnell auf etwa iOO°C erwärmt. Dann setzte man ihn 5 Minuten lang einem Druck \ von etwa 180 at aus. Danach wurde die gepreßte Membran-Elektroden-Anordnung auf unter etwa 38°C abgekühlt und aus der Presse genommen.

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Die nach dem im Beispiel 1 erläuterten Verfahren hergestellte geschichtete Membran wurde zwischen zwei Elektroden eingelegt (eine davon ist zusätzlich gegen Nässe geschützt) und daraus eine geschichtete Menibran-Elektroden-Anordnung hergestellt. Sie erhält die Elemente-Kennzeichnungszahl

8 der nach dem im Beispiel 2 erläuterten Verfahren hergestellten geschichteten Membranen wurden je zwischen zwei Elektroden eingelegt und daraus geschichtete Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet. Sie erhalten die Elemente-Kennzeichnungszahlen 677 bis 68** einschließlich Die verbleibenden drefeehn und nach dem im Beispiel 2
erläuterten Verfahren hergestellten, geschichteten
Membranen wurden je zwischen zwei Elektroden (eine
davon ist naßfest) gepackt. Diese Anordnungen erhalten die Element-Kennzeichnungszahlen 7^7, 7^9, 750 bis 756 ) einschließlich und 686 bis 691 einschließlich.

Die nach Beispiel 3 hergestellte geschichtete Membran wurde zwischen zwei Elektroden (eine int zusätzlich naßfest) gepackt. Ihr kommt die Element-Kennzeichnungszahl 5^2 zu.

Die nach Beispiel k hergestellte Membran wurde zwischen zwei Elektroden gepackt (eine davon ist zusätzlich naßfest). Sie erhält die Element- Kennzeichnungszahl 5^7.

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Die nach Beispiel 5 hergestellte, geschichtete Membran wurde zwischen zwei Elektroden gepackt. Sie erhält die Element-Kennzeichnungszahl 551·

Zum Vergleich wurden 9 aus einem Stück bestehende Membranen mit je einer Dicke von etwa 0,15 mm zwischen je zwei Elektroden gepackt. Die sich daraus ergebenden Membran-Elektroden-Anordnungen erhalten die Element-Kennzeichnungszahl 205 bis einschließlich 209, 226, 231, 617D und 618D.

In ähnlicher Weise wurden 11 aus einem Stück bestehende Membranen mit einer Dicke von je etwa 0,25 mm zwischen je zwei Elektroden (eine davon ist zusätzlich gegen Nässe geschützt) gepackt. Diese Membran-Elektroden-Anordnungen erhalten die Element-Kennzeichnungszahlen 738, 739, 7^2, 7^3, 745, 768, 779, 780, 781, 782 und 816.

Beispiel 9

Aus der nach Beispiel 6 hergestellten, geschichteten Membran und einer aus einer einzigen Schicht bestehenden Membran mit einer Dicke von etwa 0,25 mm wurden durch folgendes Verfahren Elektroden-Membran-Anordnungen hergestellt.

Die Elektroden wurden nach dem im ersten Absatz des Beispiels 7 erläuterten Verfahren hergestellt.

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Phenol-Formaldehyd~Sulfonsäure wurde mit einer gleichen Voluraenmenge Wasser gemischt und damit die zu verbindende Oberfläche jeder Elektrode bestrichen. Die bestrichenen Oberflächen von je zwei Elektroden wurden auf die gegenüberliegenden Seiten jeder Membran gepreßt. Die Merabran-Elektroden-Anordnungen wurden jeweils in einem Brennstoffelement geprüft und betriebsbereit befunden.

Beispiel 10

Die Membran-Elektroden-Anordnungen nach Beispiel 8 wurden sodann in einem Brennstoffelement zum Prüfen untergebracht. Jede Elektrode, die einen zusätzlichen Nässeschutz besaß, wurde auf der Sauerstoffseite des Elementes angebracht.

Die Brennstoffelemente wurden einzeln in einer in Fig. 3 gezeigten Prüfvorrichtung geprüft. Dabei wurde als Brennstoff Wasserstoff und als Oxydationsmittel Sauerstoff verwendet. Die Durchflußmengen für Wasserstoff und Sauerstoff waren für alle geprüften Elemente die gleichen. Der Strom wurde in Abhängigkeit von der Zeit durch eine automatische Aufzeichnungseinrichtung aufgenommen. Den Brennstoffelenenten wurde ein Kühlmittel zugeführt, so daß der Betrieb des Elementes in einem kontrollierten Temperaturbereich erfolgte. Bei bestimmten Prüfungen wurde der zwischen den Elementen 109812/0164 "

anschlüssen fließende Strom constant gehalten. Bei anderen Tests wurde der Strom in einem bestimmten Pflichtzyklus variiert.

Der hei den Untersuchungen angewandte Pflichtzyklus ist in der Tabelle I dargestellt. Die bei der Prüfung der Elemente gewonnenen Ergebnisse sind in der Tabelle II zusammengestellt.

Tabelle I	Strom in Ampere/cm	Dauer in Stunden
	0,036	2k
0,009	12
0,018	12
0,036	22
0,183	2

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	Element- Kennzeich nung S zahl	Verbindungs- Art	Temp. (°c)	TABELLE II
	677	Pt/TFÄ	38	Strom ο (Ampere/cm )
	678	tt	»	Pflichtablauf
	679	η	η	Il
	680	ti	Il	It
	681	η	Il	If
	682	It	11	Il
	683	η	ti	π
	684 205	η ein Stück	tt ti	η
098	206	η	It	ft tt
ίο	207 208 209	η η η	ti tt Il	Il
O	226	Il	If	ft tt Il
	231	It	If	tt
	542	Pt/TFÄ	49	ft
	547	Ti-Gitter	ft	0,043
	548	"Tetra-etch"	ti
Γ -γ	551	Vibration	It	It
O ί	816	ein Stück	38	η
§ i	746	Pt/TFÄ	ti	η
.-'■?	747	π	ft	Pflichtablauf
*	749	It	ft	ft
			ft

Test ab— Span-Membran- gebrochen nung Dicke (mm) nach (Std) *)

naß- Zahl der fest Schichten

o,	15
tt
Il
tt
Il
Il
11
π
Il
Il
ft
H
ft
ft
π
ο,	25
Il
It
ti
Il
ο,	15
π

936 792 504 756 744 744 645 273 384 430 460 72 400

369 403 3692 2677 2366 1800 1225 2880 2880 2880

nein	2	I	_k
It	2	K)	cn CD CD
ti	2	I	108
tt	2
Il	2
W	2
It	2
It ti	2 1
Il	1
It	1
Il	1
It	1
η	1
It	1
Ja	2
ti	2
»	2
It	2
M Il	■Η (M
η It	Ol Ol

Fortsetzung von TABELLE II

	Eleeent-	Verbindungs-
	Kennzeich-	Art
	nungszahl	Pt/TFÄ
	750	η
	751	η
	752	η
	753	η
	754	η
	755	It
-*	756	ein Stück
CD	617 D	η
GO	618 D	Pt/TFÄ
ro	688	η
ο	689	H
CD	691	ein Stück
*^	738	η
	739	η
	742	tt
	743	π
	745	tt
S	] 768	tt
O	779	tt
O ro	ⁱ 780	ft
IG!	781	η
	782

Tem

Strom

_o **

_o (Ampere/cm**) Test abMembran- gebrochen Dicke (ram) nach (Std)

Spannung naß- Zahl der *) fest Schichten

38

tf η «

H tt tt tf tt It ff tt ft ft tt

ft ti

ft tt

Pflichtablauf

tf

If Il Il

tt

0,043 tt

Pflichtablauf

M H tt tt tt tt ti

It tt tt

tt

tt η it

tt tt it

w tt tt tt

*) Spannung, geraessen in Volt, bei etwa 0,183 A/cm

+) Zeit, nach der das Element nicht mehr den geforderten Strom lieferte

2880	0	—	ja	2	_i
2880	0	—	ti	2	CP
1080	0	—	η	2	CO CD
1080	0	-	Il	2
1080	0	—	η	2	CD
1344	0	—	tt	2	OO
2880	0	-	11	2
938 +	0	—	nein	1
867 +	0	—		1
4352	0	,54	ja	2
4281	0	,46	ti	2
4035	0	,26	ft	2
2925	0	,17	tf	1
2925		,18	tt	1
2925		,31	tt	1
2925	,14	ti	1
2925	,12	ft	1
2597	,24	tt	1
2481	,20	Il	1
2481	,24	tt	1
2481	,19	It	1
2481	,35	tt	1

Die Ergebnisse der an den Brennstoffelementen vorgenommenen Untersuchungen sind in Tabelle III zusammengefaßt, wobei die Ergebnisse von sich entsprechenden Tests gemittelt wurden. Bei Membranen vergleichbarer Dicke, die bei gleichen Temperaturen und nach dem in Tabelle I dargestellten Pflichtablauf betrieben wurden, zeigten sich die geschichteten Membranen überlegen. Bei Membranen, die unter konstanter Belastung betrieben wur-

" den, nässegeschützt waren und vergleichbare Dicke aufweisen, zeigten sich die geschichteten Membranen den aus einem Stück bestehenden auch dann überlegen, wenn sie bei einer etwa um 5°C höheren Temperatur betrieben wurden. Bei nach dem Pflichtenzyklus betriebenen Membranen, die nässegeschützt waren, zeigten sich die geschichteten Membranen auch dann überlegen, wenn sie mehr als 1000 Stunden länger betrieben wurden, und außerdem noch eine geringere Membranetärke aufwiesen. Bei mit konstanter

) Belastung bzw. zyklischer Belastung betriebenen Brennstoffelementen konnte keine Folgerung getroffen werden. Das gleiche gilt für Brennstoffelemente, die naßfeste oder nicht naßfeste Elektroden haben.

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	Zahl der Schichten	Verbindungs- Art	Temp. (^oc5	TABELLE III	Membran- Dicke (mm)	Test abge- Span- broehen nung nach: (Std) *)	naß fest	I
	2	Pt/TFÄ	38	Strom η (Ampere/cm )	0,15	674 +	nein	Vj4 Ul
	1	ein Stück	η	Pflichtablauf	0,15	359 +.	ti	I
	2	Pt/TFÄ	49	Il	0,25	3692 +	ja
->	2	Ti-Gitter	49	0,043	0,25	2677 +	ti
O co	2	"Tetra-etch"	49	It	0,25	2366 +	π
00	2	Vibration	49	Il	0,25	1800 +	Tt
NJ	1	ein Stück	38	η	0,25	1225 +	ti
O	2	Pt/TFÄ	38	Il	0,15	2186	11
σ?	1	ein Stück	38	Pflichtablauf	0,15	902	nein
.Ρ·»	2	Pt/TFÄ	38	0,043	0,15	4222 0,42	ja
	1	ein Stück	38	Pflichtablauf	0,25	2714 0,21	It
			It

*) Spannung, gemessen in Volt, bei 0,183 A/cm*
+) Zeit, nach der das Element ausfiel.

CD OO

Claims

Patentansprüche

1) Brennstoffelement, dadurch gekennzeichnet, daß es eine geschichtete Ionenaustauschmemljran mit einer ersten und zweiten Fläche, der ersten und zweiten Flächen benachbarte Elektroden und eine Einrichtung besitzt, welche den ersten bzw. zweiten Flächen Brennstoff bzw. ein Oxydationsmittel getrennt zuführt.

2) Brennstoffelement, dadurch gekennzeichnet, daß es eine aus Schichten bestehende Ionenaustauschmembran, welche zwischen benachbarten Schichten eine elektrolytisch leitende Zwischenschicht aufweist, an den ersten und zweiten Flächen der Membranen angebrachte Elektroden und eine den ersten und zweiten Flächen getrennt Brennstoff bzw. ein Oxydationsmittel zuführende Einrichtung besitzt.

1Π981 7/0164

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann 8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon: 2921 02 · Telegramm-Adresse: Lipalli/München

Bankverbindungen: Deutsche Bank AG, Filiale München, Dop.-Kasse Viktualicnmarkt, Konto-Nr. 70/30638 Bayer. Vcreinibank München, Zweigst. Oskar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 88249f> ■ IWscheck-Konto: München Nr. 1633 97

Oppenauer Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Einrichtung besitzt, welche die Schichten an der Übergangsschicht körperlich verbindet.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein elektrolytisch leitendes, die Schichten an der Übergangsschicht verbindendes Mittel

besitzt. ^

5. Brennstoffelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Mittel ein ionenaustauschender Klebestoff ist.

6. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine die Elektroden elektrolytisch leitend mit der Membran verbindende Einrichtung besitzt.

7. Brennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch ge- ^

kennzeichnet, daß die verbindende Einrichtung ein ionenaustauschender Klebestoff ist.

8. Brennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die körperlich verbindende Einrichtung ein korrosionsfestes Gitter ist.

9. Brennstoffelement, dadurch gekennzeichnet, daß es eine ionenaustauschende Einrichtung aus anisotropen

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-*- 159G108

se

Schichten und mit geringem anisotropen Verhalten als die einzelnen Schichten, eine aus ersten und zweiten Flächen bestehende ionenaustauschende Einrichtung, den ersten und zweiten Flächen benachbarte Elektroden und eine den ersten bzw. zweiten Flächen getrennt Brennstoff bzw. Oxydationsmittel zuführende Einrichtung besitzt.

™

10. Verfahren zum Herstellen einer geschichteten Membran-Elektroden—Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus einem Material, welches ionenaustauschende Eigenschaften besitzt, hergestellt, die Schichten elektrolytisch leitend mit ihren benachbarten Seiten zusammengefügt werden und eine geschichtete Membran bilden, und daß elektro-katalytische Elektroden auf den entgegengesetzten Flächen der geschichteten Membran angebracht werden.

11. Verfahren zum Herstellen einer geschichteten Membran-Elektroden-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus einem Material, welches ionenaustauschende Eigenschaften besitzt, hergestellt, die Schichten gestapelt, Bindeorgane zwischen die Schichten gelegt, die Schichten mit ihren benachbarten Flächen elektrolytisch leitend zu einer geschichteten Membran verbunden und elektrokatalytische Elektroden auf den gegenüberliegenden Flächen der geschichteten Membran angebracht werden.

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- Jt-

1 b 9 Ü 1 O 8

12. Verfahren zum Herstellen einer geschichteten Membran-Elektroden-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus einem Material, welches ionenaustauschende Eigenschaften hesitzt, hergestellt, die Schichten gestapelt und durch Vibration in elektrolytisch leitender Weise verbunden, und auf gegenüberliegenden Flächen der geschichteten Membran elektro-katalytisehe Elektroden angebracht werden.

13. Verfahren zum Herstellen einer geschichteten Membran-Elektroden-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus einem Material, welches ionenaustauschende Eigenschaften besitzt und wenigstens ein synthetisches Harz enthält, hergestellt, die Schichten elektrolytisch leitend zu einer geschichteten Membran vereinigt, und elektro-katalytische Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der geschichteten Membran angebracht wurden.

Ik. Verfahren zum Herstellen einer geschichteten Membran-Elektroden-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus einem Material, welches ionenaus— tauschende Eigenschaften besitzt, hergestellt werden, ein ionenaustauschendes Klebemittel zwischen die Schichten gebracht wird, und elektro-katalytische Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der geschichteten Membran angebracht werden.

15. Verfahren zum Herstellen einer geschichteten Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch Ik, dadurch ge-

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-*- 1 b96 1 08

Ho

kennzeichnet, daß die Elektroden mit einem ionenaustauschenden Klebestoff mit der geschichteten Membran verbunden werden.

16. Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit der geschichteten Membran durch ein ionenaustauschendes Klebemittel verbunden werden.

17. Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ionenaustauschmembran mit gegenüberliegenden Flächen vorgesehen und eine elektro-katalytische Elektrode, die wenigstens einer der Flächen benachbart ist, durch einen als Bindemittel verwendeten, ionenaustauschenden Klebestoff damit verbunden wird.

18. Verfahren zum Herstellen einer geschichteten Ionenaustauschmembran, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus einem Material, welches ionenaustauschende Eigenschaften besitzt, hergestellt, die Schichten gestapelt und mit dazwischen angebrachten Bindemitteln versehen, und die Schichten mit ihren benachbarten Flächen elektrolytisch leitend verbunden werden.

1 o a b 111 ο ι b 4

Hi

19» Verfahren zum Herstellen einer geschichteten Ionenaustauschmembran, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus einem Material, welches ionenaustauschende Eigenschaften besitzt, hergestellt, die Schichten gestapelt und durch Vibration in elektrolytisch leitender Weise zu einer geschichteten Membran verbunden werden,

20. Verfahren zum Herstellen einer geschichteten Ionenaustauschmembran, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus einem Material, welches ionenaustauschende Eigenschaften besitzt und wenigstens ein synthetisches Harz enthält, hergestellt und mit ihren benachbarten Flächen elektrolytisch leitend zu einer geschichteten Membran verbunden werden.

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Leerseite