DE1596161A1

DE1596161A1 - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1596161A1
Application number: DE19661596161
Authority: DE
Inventors: Giner Jose Domingo
Original assignee: Leesona Corp
Current assignee: Leesona Corp
Priority date: 1965-09-30
Filing date: 1966-09-29
Publication date: 1971-04-08
Also published as: GB1159346A; US3467552A

Description

DR. ILSE RUCH -ι roe λ c λ

PATENTANWALT ^Ι3Ο° ^IU '

MÜNCHEN 5
REICHENBACHSTR. 51
TEL 26 32 51

PWFC-669
R/P

Leesona Corporation, Warwick, Rhode Island, USA

Brennstoffelement

Die Erfindung betrifft ein kompaktes Brennstoffelement, d.h. ein Brennstoffelement mit hoher Energieauebeute, bezogen auf Volumen und Gewicht.

Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffelement, das ein Gehäuse, eine Anode von geringem Gewicht, eine Elektrolytmatrix aus einer leitenden Schient, die an eine nicht-leitende Schicht gebunden ist, ;gfs. angrenzend an die nicht-leitende Schlei der Matrix eine leitende Schicht, eine Kathode von geringem Gewicht und in der Elektrolytmatrix einen riUeeigen Elektrolyten aufweist.

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Das gesamte Brennstoffelement kann In einer Dicke von weniger als 0,6^ mnu gemessen von der Anodenaußenf lache bis zur Kathodenaußenflache, hergestellt werden« so daß viele derartige Elemente unter äußerst geringer Raumbeanspruchung zusammengefügt werden können.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Brennstoffelement gemäß der Erfindung..

Das Gehäuse 1 weist Wandungen la und Ib für die Komponenten des Elementes auf. Anode 2 und Kathode 6 des Elementes sind durch die Elektrolyteatrix 5 voneinander getrennt. Die Elektrolytmatrix 3 besteht aus einer leitenden Schicht 3a und einer nicht-leitenden Schicht 3ö. Die nicht» leitende Schicht steht in innigem Kontakt mit einer weiteren leitenden Sohle ht 5* Die Brennst of fkamoier 8 weist einen Einlad 8a und einen Auslaß 8b auf. Die Oxydationsmittelkammer 7 weist einen Einlaß 7a und einen Ausla3 7b auf. Derartige Elemente können bei entsprechender Modifikation in jeder gewünschten Anzahl hintereinander oder parallel geschaltet werden.

Die in dem Brennstoffelement der Erfindung verwendeten Elektroden sind leicht und auSerordentlloh d"* "ie werden vorzugsweise hergestellt, indem man ein einheitliches Gemisch eines elektrochemisch aktiven Metalls mit einem hydrophoben

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Polymerisat direkt auf die Außenflächen der Elektrolytmatrix« d.h. die leitende Schicht 3a und die nicht-leitende Schichte 3b oder die leitende Schicht 5, falls verwendet* aufbringt. Das elektrochemisch aktive Metall kann Kupfer, Gold, Nickel* Silber,. Kobalt oder eine Legierung davon u.dgl. sein. Vorzugsweise werden für die Herstellung der Elektroden Metalle der Gruppe VXXX des periodischen Systems, d.h. Platin, Ruthenium, Palladium, Osmium, Iridium und Rhodium und Legierungen davon verwendet. Das Polymerisat, das mit dem katalytisohen Metall vermischt wird, mu3 relativ hydrophob und außerdem wärmefest und gegenüber seiner Umgebung in dem Brennstoffelement korrosionsfest sein. Geeignete Polymerisate sind beispielsweise polytetrafluorethylen, Polystyrol, Polyäthylen, Polytrifluorchlorethylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid und Mischpolymerisate davon. Die Elektroden werden vorzugsweise durch Aufpressen, Aufwalzen oder Aufsprühen einer einheitlichen Dispersion des elektrochemisch aktiven Metalle und des hydrophoben Polymerisats auf die AuBenflachen der Elektrolytmatrix aufgebracht. Um die Bindefestigkeit und den strukturellen Zusammenhalt zu verbessern, wird das so erhaltene Gebilde dann auf eine ausreichende Temperatur, um wenigstens die Polymerisatteilchen zu sintern, erhitzt.

Wenn als Brennstoff Wasserstoff verwendet wird, so kann als Anode mit besonderem Vorteil eine nicht-poröse Membran aus

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einer Palladium-Silber-tegierung verwendet werden. Derartige Elektroden» die in der ÜSA-Patentschrift ? 092 5I7 beschrieben sind, haben den Vorteil* daß keine Blockierung der Elektrode mit gasförmigen Verunreinigungen oder Überflutung der Foren der Elektrode mit Elektrolyt erfolgt. Außerdem sind diese Elektroden außerordentlich leicht, weil sie in der Form ausser- ordentlich dünner Film· oder Folien hergestellt werden können.

Der leitende Bestandteil der Elektrolytmatrix ist ein dem Elektrolyten gegenüber bestfindiges Metall, das, wenn es in der Form eines verhältnismSflig dünnen Filmes aufgebracht jet, eine hohe Leitfähigkeit besitzt. Geeignete Metalle sind beispielsweise Nickel, Kupfer« Tantal und die edleren Metalle, wie Gold, Silber, Palladium, Platin und Rhodium. Aus wirtschaftlichen Gründen sind die weniger kostspieligen Metalle, wie Nickel und Tantal, bevorzugt. Dieser leitende Bestandteil der Matrix hat drei Funktionen, d.h. er wirkt als Matrix, als Stromsammler und als Verfestigungselement.

Der nicht-leitende Bestandteil der Elektrolytmatrix muß unter den Betriebsbedingungen des Elementes beständig sein. Beispiele für geeignete nicht-leitende Materialien sind Ceroxyd, Thorlumoxyd, Siliciumdioxyd, Zirkoniumoxyd und Magnesiumoxyd. Die leitende und die nicht-leitende Schicht können durch physikalische Bindung in innigem Kontakt gehalten werden* oder die nicht-leItende Schicht kann durch

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Flammsprühen, Elektrophorese ο.dgl. auf die leitende Schicht aufgebracht werden. Die Schichten müssen eng aneinander haftend gehalten werden, damit der Ohm*sehe Widerstand des Elementes so niedrig wie möglich ist. Daher wird die nichtleitende Schicht vorzugsweise durch Flammsprühen, Elektrophorese oder durch Zusammensintern beider Schichten direkt auf die leitende Schicht aufgebracht.

Obwohl die Elektroden selbst leitend sind, kann der Betrieb . des Elementes verbessert werden, indem man die Außenfläche dos nicht-leitenden Bestandteils der Elektrolytmatrix mit einem dünnen Film aus einem.leitenden Metall, wie Gold o.dgl.,

oder -netz*

versieht oder einen metallischen Träger, wie ein Metallgewebe ' ein expandiertes Metall oder einen Metallf11z auf die kata-Iytisehe Schicht aufpreßt. Der Metallflim oder -träger kann aus irgendeinem Element, das elektronisch leitend ist, wie Nickel, Tantal, Kupfer, Gold, Silber, Palladium, Platin, . Rhodium u.dgl., bestehen.Aue wirtschaftlichen Gründen sind auch Nickel und Tantal, wenn der Träger in der Form eines Netzes verwendet wird, oder QoId, Silber und Nickel, wenn er als ein niedergeschlagener dünner Film verwendet wird, bevorzugt.

Um die Matrix des Elementes zu imprägnieren, können verschiedene flüssige Elektrolyte verwendet werden. Beispiele sind wäßrige Lösungen der Alkalihydroxyde, wie Kalium-,

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Natrium-, .Rubidium- und Ca'siumhydroxyd, odor der Srdalkalioarbonate* Außerdem können bei geeigneter Zusammensetzung der Matrix auoh saure Elektrolyt©, wie Schwefelsäure und Phosphorsäure« verwendet werden. Der Elektrolyt kann durch die Kapillarwirkung der Matrix in ,dieser gehalten worden. Beispielsweise können nicht-leitende und leitende Schicht der Matrix in eine Lösung von freiem Elektrolyten eintauchen.

In dem Brennstoffelement dor Erfindung können die üblicherweise in Brennstoffelementen verwendeten Brennstoffe, wie Wasserstoff, kohlenstoffhaltige Brennstoffe und Ammoniak, verwendet werden» Das Anodenmaterial kann unter Berücksichtigung des zu verwenden Brennstoffes gewählt werden. Wenn beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, können .die oben genannten nicht-porösen Membranen aus einer Palladium/Silber-Legierung verwendet werden. Wenn dagegen ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff verwendet wird, muß die Membran porös sein. PUr die Kathode des Elementes, der Luft oder Sauerstoff als Oxydationsmittel zugeleitet, wird, wird im allgemeinen ein anderes katalytisch aktives Metall, beispielsweise Silber odor QoId oder eine Legierung davon verwendet. Das Brennstoffelement der Erfindung kann in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden. Bin ^sonderer Vorteil des Brennstoffelementes der Erfindung liegt darin, daß es auch UaI niedrigen Temperaturen bei gegebenen Spannungen

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beträchtliche elektrische Energie zu liefern vermag. Vorzugsweise wird das Element daher bei einer Temperatur zwischen etwa 25 und 20CKi betrieben. Es kann aber auch bei Temperaturen bis zu etwa 300% betrieben werden« wobei natürlich im allgemeinen die Geschwindigkeit,der elektrochemischen Umsetzung umso höher ist« je höher die Temperatur ist. Andererseits werden bei höheren Temperaturen auch die mit dem Betrieb derartiger Elemente verbundenen Schwierigkeiten, wie beispielsweise ihre Isolierung u.dgl., schwerwiegender.

Di« Dicke der verschiedenen Komponenten des Brennstoffelementes der Erfindung sind nicht von wesentlicher Bedeutung. Vorzugsweise wird Jedooh jede der Komponenten so dünn wie möglich gewählt, da dann das Verhältnis von Energieausbeute zu Volumen und Energieausbeute zu Gewicht den größtmöglichen Wet erreicht und außerdem der Ohm'sche Widerstand durch die einzelnen Komponenten des Elementes gering gehalten wird. Die Gesamtdicke des Brennstoffelementes der Erfindung kann bei 0,65 mm oder darunter gehalten werden. Die Elektroden haben normalerweise eine Dicke in dem Bereich von 0,0025 bis 0,85 mm. Die Dicke der. Elektrolyt matrix beträgt normalerweise 0,25 bis 0,5 !»und die der leitenden Schicht an der nicht-leitenden Komponente der Elektrolytmatrix 0,0025 bis 0,025 mm. Dt© Dicke der einzelnen Komponenten kann aber natürlich beträchtlich variieren.

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Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert werden. Teile beziehen sich auf das Gewicht, sofern nicht anders angegeben.

Beispiel

Ee wurde ein Brennstoffelement gleich dem in der Zeichnung dargestellten hergestellt. Das Gehäuse 1 bestand aus Nickel. Die Matrix 3 war elno poröse Kickelfolle von 0,25 cm Dicke, die durch Flammsprühen mit einem 0,25 mm dicken Überzug aus Ceroxyd erhalten war. Eine leitende Schicht 5 aus Gold mit einer Dicke von etwa 0,013 raw wurde galvanisch auf der Ceroxydeohicht abgeschieden. Die Elektroden 2 und wurden auf die Nickel- und die Goldoberfläche der Matrix aus einer gleichmäßigen Dispersion von Platinschwarz und Polytetrafluorethylen in Wasser auf gesprüht, eo daß der Überzug ,Je cm 8 mg Platin und 3,4 mg Polytetrafluoräthylen enthielt. Die Gesamtdicke des Elementes betrug bei Vernachlässigung des Gehäuses 0,63 mm. Die Matrix 3 wurde mit einer 28^-igen wäßrigen Kallumhydroxydlösung getränkt, wozu eine Drucktechnik angewandt wurde. Wenn das Element bei 60¹C unter Zufuhr von Wasserstoff mit 0,07 atü und Sauerstoff mit 0,07 atü betrieben wurde, so wurde bsi 0,89 V eine Stromdichte von 90 mA/cm erzielt.

In dem oben beschriebenen Element kann die Anode durch eino dünne Hotzelelztrode oder eine mit Nickel

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poröse Elektrode und, wenn Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, durch eine nicht-poröse Membran aus einer Palladium-Silber-Legierung ersetzt worden. Die Kathode kann durch eine mit Silber und Gold oder einer Legierung von Silber und Gold aktivierte Netzelektrode ersetzt werden. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit kann anstelle der leiten den Qoldechicht an der Ceroxydeohloht ein in dl· katalytIsche Schicht In Kontakt mit de« Ceriuwoxyd fepreßter met all lecher Träger verwendet werden, und dl· Nfttrlx 3 kam Irgendwelohen der oben angegebenen Materialien bestehen.

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Claims

Patent ansprüche

1. Brennstoffelement, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Gehäuse, eine Anode von geringem Gewicht, eine Elektrolytmatrix aus einer leitenden Schicht, die an eine nicht-le it ende Sohioht gebunden ist, ggfs. angrenzend an die nicht-leitende Schicht der Matrix eine leitende Sohioht, eine Kathode von geringem Oewicht und in der Elektrolyt»atrix einen flüssigen Elektrolyten aufweist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafi die mit der leitenden Schicht der Blektrolytmatrix in Kontakt stehende Elektrode aus einen einheitlichen Gemisch eines Katalysators und eines hydrophoben Polymerisats» das direkt auf die leitende Schicht der Elektrolyt »at r ix aufgebracht ist« besteht.

2*. Brennstoffelement nach Anspruch 2« dadurch gekennzeichnet, daß die mit der nicht-leitend·» Sohioht der Elektrolyt matrix in Xontakt stehende Elektrode «us eine« einheitlichen Gemisch eines Katalysators und eines hydrophoben Polymerisats, das

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direkt auf die nicht -leitende Schicht der Elektrolytmatrix aufgebracht ist, besteht,

4. Brennstoffelement naoh Anspruch >, dadurch gekennzeichnet, das es ein leitendes Netz in Kontakt mit der Elektrode auf der nicht-leitenden Schicht der Elektrolytmatrix aufweist»

5. Brennstoffelement nach Anspruch 1-3» dadurch gekennzeichnet.-daß wenigstens eine der Elektroden ein einheitliches Gemisch eines als Katalysator wirkenden Kichtedelmetalles, wie Niokel oder einer Nicktl/Kobalt-Legierung, und eine« hydrophoben Polymerisat ist.

6. Brennstoffelement naoh Anspruch l-j, daduroh gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden ein einheitliches Gemisch eines als Katalysator wirkenden Edelmetalles, nämlich Palladium, Platin, Rhodium, OsaiuB oder !legierungen davon, und eines hydrophoben Polymerisats ist.

7· Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet,, daß die Elektrolytmatrix aus einer Niclcelsohicht in innigem Kontakt mit einer Thoriuraoxyd-, Ceroxyd- oder Zirkoniumoxydschicht besteht.

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8. Brennst off element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytmatrix aus einer Nickelschicht in innigem Kontakt mit einer nicht-leitenden Ceroxyd- oder ThoriurccxydGchicht besteht und in Kontakt mit der nichtleitenden Schicht eine Goldschicht sowie sowohl auf¹ der Nickel- als auch auf der Goldschicht eine Elektrode aus einem einheitlichen öemisch von Platinschwarz und Polytetrafluöräthylen c.ufv/eist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man 1) eine poröse Nickelsohicht durch Flammsprühen mit einer nicht-leitenden Schicht aus Thoriumoxyd oder Ceroxyd versieht und 2) auf die Oberflächen der so hergestellten Elektrolytmatrix als Elektroden eine Schicht aus einem katalytisch aktiven Metall und Polytetrafluorethylen aufbringt,beispielsweise in Form einer wäßrigen Dispersion aufsprüht und sintert und ggfs. ein Net?, aus einem leitenden Material in die katnlytische Schicht in Kontakt mit der nicht-leitenden Schicht der Elektrolytmatrix preßt.

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