DE1671960C3 - Brennstoffzelle - Google Patents

Description

40 Deckplatten und aen Elektroden Kammern 18 und

20 für den Brennstoff und das Oxydationsmittel vorhanden sind.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoff- es sich um eine WasserstofT/Luft-Zelle, bei der der

zelle mit zwei porösen Elektroden, einen dazwischen 45 Wasserstoff durch eine Einlaßöffnung 22 in die

befindlichen porösen Elektrolytträger und mit min- Kammer 18 und die Luft durch eine Einlaßöffnung

destens einer Elektrolytkammer. in die der Elektro- 24 in die Kammer 20 eingeführt wird. Außerdem

!ytträgcr ragt und in der überschüssiger Elektrolyt sind (nicht gezeigte) Reinigungsöffnungen für die

aus der Brennstoffzelle angesammelt ist. Wasserstoffkammer und die Luftkammer vorgesehen.

Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Brenn- 50 Die Brennstoffzelle kann als Niedcrdruckzelli; stoffzeüc ist aus der belgischen Patentschrift 646 16.S netrieben werden. Dazu werden der Wasserstoff und bekannt. Bei solchen Brennstoffzellen besteht die die Luft mit etwas mehr als Almosphärendruck zu-Ciefahr. daß das Volumen des im Ehktroiytträger geführt. Sie kann jedoch auch bei höheren Drücken, gespeicherten Elektrolyten durch auf Grund der z. B. etv/a 17,6 kg pro cm-, betrieben werden.
Wechselwirkung zwischen dem Brennstoff und dem 55 Im Raum zwi.ichen den Elektroden ist ein Elek-Oxydationsmittcl entstehendes Reaktionswasser und trolytträger 26 (Matrix) vorgesehen, von dessen bzw. oder durch eine Änderung der Bctriebsbedin- Poren d.r Elektrolyt, beispielsweise eine 40prozen_: gungcn zunimmt und dann der überschüssige Elck- tige wäßrige KOH-Lösung, aufgenommen wird. Der trolyt auf die Gasseite der Elektroden gelangt und Elcktrolytträger besteht aus einem gegenüber KOH dort einen Stau oder eine Überflutung verursachen 60 widerstandsfähigen Material, beispielsweise einem kann, wodurch efn wirksames Arbeiten der Brenn- Asbest-Diaphragma. Die Elektroden sind dort, wo stoffzcUe verhindert wird. Uni diese Nachteile zu sie sich mit den Flanschen an den Deckplatten in vermeiden sind bei der Brennstoffzelle nach der Anlage befinden, gegenüber dem Außenrand der belgischen Patentschrift 646 168 zsvischen dem porö- Deckplatte etwas verkürzt, damit ein Verschluß 27 sen Elcktrolylträgcr und den beiden Elektroden ⁵ aufgesetzt werden kann, der die Brennstoffzelle nach absorptionsfähige nicht leitende Trennstücke ange- außen hin abdichtet und als Deckel für Elektrolytordnet. Dabei ragt lediglich der poröse Elektrolyt- raum zwischen den Elektroden dient,
träger in den Elektrolytvorrat in der Elektrolyt- Die Elektroden können von üblicher Bauweise

sein. M^{an kann} i^{cclQcl1 a}"^ch mit Katalysatoren j^prägniertL· Netzelektroden verwenden. Bis auf die KKijimcni für den Brennstoff und das Oxydationsmittel aiii den Gasseiten der Elektroden Vnd den in enger Berührung mit den Elektroden befindlichen, kapillaren Elektrolytträger zwischen den Elektroden ist die speziell gewählte Zellenkonstruktion an sich beliebig.

Erfindungsgemäß sind die Deckplatten 2 und 4 nahe dem Boden der Brennstoffzelle derart ausgebildet, daß zwei verbreiterte Räume 28 und 30 entstehen, die zusammen eine Kammer bilden, durch die oder längs der sich der Elektrolytträger und die Elektroden erstrecken. Dadurch sind an sich zwei Kammern, eine auf jeder Seite der Brennstoffzelle, geschaffen, die jedoch auf Grund der Porosität der Elektroden und des Elekuolytträgers miteinander in Verbindung stehen. Diese Elektrolytkammern nehmen den überschüssigen Elektrolyten auf. der in sie abstri men und in ihnen gesammelt werden kann, wenn das Volumen des Elektrolyten über das zwischen den Elektroden und in den Poren der Elektroden aui'nehmbare Volumen ansteigt. Ce so gebildeten Elekirolytkamimern stehen mit den Kammern der Brenneo'Tzelle für den Brennstoff und das Oxydationsmittel in Verbindung, sind jedoch voneinander durch den Elektrolytträgcr und die Elektroden getrennt. Die unmittelbar an die Elektrolytkammern aneren/Liden Elektrodenbereiche sind nicht wasserdicht, damit der Elektrolyt aus den Elcktrolytkammern frei in den Elektrolytträger eindringen kann. Der Elektrolytträger bildet eine gasdichte Sperre zwischen den beiden Elektrolytkammern. Bei geeigneter Steuerung des Drucks in den Kammern für den Brennstoff und das Oxydationsmittel kann man auch die eine der beiden Elektrolytkammern weglassen, ohne daß die erfindungsgemiiße Wirkung verändert wird. Wenn sich durch Verdünnur.g des Elektrolyten mit Wasser auf Grund veränderter Betriebsbedingungen innerhalb der Brennstoffzelle eilt Überschuß an Elektrolyt ergibt, werden die Elektrolytkammern mit dem überschüssigen Elektrolyten gefüllt, da dieser durch den Elcktrolytträger und die Elektroden sickert und bzw. oder an den Gasseiten der Elektroden in die Elektrolylkammern 28 und bzw. oder 30 rinnt. Hierdurch wird der Elektrolyt während eines Betriebs mit Elcktrolytübcrschuß am Boden der Brennstoffzeile gesammelt

Wenn die Betriebsbedingungen innerhalb der Brennstoffzelle jedoch derart sind, daß das Volumen des Elektrolyten abnimmt, dann kann der in den Elektrolytkammern befindliche Elektrolyt von dem in den Elektrolytvorrat eingetauchten Elektrolytträgcr und bzw. oder von den Elektroden absorbiert und in die wirksamen Bereiche der Elektroden geführt werden, so daß stets die richtige Elektrolytmcngc vorhanden ist, um die Gas/FIüssigkeit-Grcnzflächc an der richtigen Stelle zwischen den beiden Oberflächen jeder Elektrode zu halten.

Durch die Kapillarkraft des Elektrolytträgers und der Elektroden wird bewirkt, daß der Elektrolyt immer ilann absorbiert wird, wenn er innerhalb der Brennstoffzelle benötigt wird, und sonst zurückgehalten wird, su daß die Brennstoffzelle unabhängig von der in ihr vorhandenen tatsächlichen Elektrolytmenge stets bei den günstigsten Bedingungen betrieben wird. Die Anordnung ist außerdem so getroffen, daß alle Tropfen des flüssigen Elektrolyts, tlie sich an der gasreiligen Oberfläche der Elektroden bilden können, direkt in die Elektrolytkammern abströmen, wodurch eine Überflutung oder e.n Stau

vermieden und unter allen Betriebsbedingungen oic maximale Zellenspannung aufrechterhalten wird. Wenn die Elektroden oberhalb der Elektrolylvorratskammern nicht benetzbar sind, dann werden diejenigen Tropfen, die sich bei einem Zellenbetrieb.

jo mit "zusätzlicher Elektrolytbildung an den gasseitigen Elektrodenoberflächen ansammeln, auf Grund der Schwerkraft sehr schnell in die Elektrolytkammern überführt.

Bei derartigen Brennstoffzellen muß die Elektrolu-

Gas-Grenzfläche bekanntlich auf eine Stelle zwischen den beiden Elektrodenoberflächen jeder Elektrode eingestellt werden. Wenn die Elektrode oder irgendein Teil von ihr trocken wird, strömt Gas in den Elektrolytraiim, ohne über den Elektrolyten mit dem

anderen Ga^ zu reagieren und

JlC

erwünschte

Elektrizität zu erzeugen. Dadi^ireh, daß der Elektrolyt! rager und die Elektroden in einen Elektrolytsee eingetaucht sind, wird jedoch Elektrolyt in den Elektrolytträger und die Elektroden gesaugt. Die lage der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und den Gasen ist somit nicht länger durch das Volumen des Elektrolyten in der Brennstoffzelle, sondern durch die kapillaren Eigenschaften der Elektrode und des Elektrolytträgers bestimmt. Die Wasseraufnahmefähigkeit einer Brennstoffzelle ohne die hier dargestellte Einrichtung zur Aufnahme des überschüssigen Elektrolyten wird an der »Nal.W-Grenze dann überschritten, wenn der Elektrolyt die Elektroden vollständig durchdringt und überflutet oder wenn ein wirksamer Betrieb der Brennstoffzelle durch Abdecken der Elektroden mit überschüssigem Elektrolyten auf der Gasseite verhindert wird, während sie an der »Trockens-Grcn^c dann überschritten wird, wenn der Elektrolyt so weit zurückweicht. daß er nicht mehr mit der Elcklrodenoberfläche in Berührung steht, so daß Gas in den Elektrolyt!'^:ige· eindringt.

Bei Verwendung der erhndungrgemäßen Brennstoffzelle dagegen ist der Bc'rieb an der »Naß'>Grenze nicht langer durch Überflutung begrenzt, da der überschüssige Elektrolyt in den Elektrolytvorrat abfließen und somit der Betrieb der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden kann, bis das für den Elektrolytvorrat vorgesehene Volumen überschritten wird. An der »Trockene-Grcnze wird der Betrieb der Brennstoffzelle nur dann gestört, wenn der gesamte überschüssige Elektrolyt aus dem Elektrolytvorrat verbraucht ist, c!a die notwendige Grenzfläche zwischen .lern Elektrolyt und dem Gas so lange zwischen den beiden Oberflächen ^iner jeden Elektrode bestehen bleibt, wie Elektrolyt aus dem Elektrolytvorrat zur Verfügung steht.

Bei einer in der F i g. 2 dargestellten Abwandlung des beschriebenen Auslführungsbcispiels ist zusätz-⁶⁰ Hch zu dem an Hand der Fig. 1 beschriebenen Elektrolytvorrat in den Kammern der Brennstoffzelle für den Brennstoff und das Oxydationsmittel ein Dochtmaterial 34 vorgesehen. Dies ist derart angeordnet, daß während des Zcllenbetriebs Elek-⁶5 trolyt aus dem Elcktrolytvorrat an die F.lektrodenoberflächen gesaugt und nicht nur zu '.!en unietcn Bereichen der Elektroden und des Elektrolytträgers. die in den Elekt.olytvorrat eingetaucht sind, son-

dem auch zu den davon e?itfernten, restlichen Bereichen der Elektrode gebracht wird. Das Dochtmaterial muß derart angeordnet sein, daß es entweder überall oder, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist, mehrmals an verschiedenen Stellen mil der gasscitigcn Oberfläche jeder Elektrode in Berührung ist. Das Dochtmaterial kann aus dem gleichen Stoff wie der Elektrolytträgcr oder aus irgendeinem anderen Material mit dochtähnlichen Eigenschaften bestehen, so daß es immer mit Elektrolyt durchtränkt bleibt und erforderlichenfalls den Elektrolyten leicht an die Elektroden abgibt. Durch diesen Absaugvorgang wird sichergestellt, daß der Elektrolyt denjenigen Bereichen der Elektrode zugeführt wird, die während des Zellcnbetriebs austrocknen können, wenn innerhalb der /.eile mehr Wasser entfernt als gebildet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

'V'ii'£

Claims (5)

1 2 kammer. Durch Kapillarkraft wird der Elektrolyt Patentansprüche: über den Elektrolyttröger in die absorptionsfähigen Trennstücke gebracht, ohne daß dabei Elektrolyt in

1. Brennstoffzelle mit zwei porösen Elektroden, die Elektroden eintritt.

einem dazwischen befindlichen porösen Elektro- 5 . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ohne

lytträger und mit mindestens einer Elektrolyt- die Verwendung zusätzlicher Trennstuckc ein Ubcr-

kammer, in die der Elektrolytträger ragt und in fluten der Brennstoffzelle zu vermeiden und glcich-

der überschüssiger Elektrolyt aus der Brennstoff- zeitig ein Austrocknen des Elektrolyttragers zu ver-

zelle angesammelt ist, dadurch gekenn- hindern.

zeichnet, daß auch die Elektroden (14, 16) in io Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs be-

die Elektrolytkammer (28, 30) ragen und daß schriebene Brennstoffzelle nach der Erfindung da-

die Elektroden und der Elektrolytträeer (26) in . durch gekennzeichnet, daß auch die Elektroden in

den in der Elektrolytkammer befindlichen Elek- die Elektrolytkammer ragen und daß die Elektroden

trolyten eingetaucht sind. und der Elektrolyttrkger in den m der Elektrolyt-

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch 15 kammer befindlichen Elektrolyten eingetaucht sind, gekennzeichnet, daß die Elektroden (14, 16) auf Dadurch wird erreicht, daß bei Volumenzunahme den vom Elektrolytträger abgewandten Ober- das Reaktionswasser an der Elektrode nach unten flächen durch beabstandete Platten (2, 4) abge- in die Elektrolvtkammer abfließen kann. Wenn anstützt sind, die auf den Außenseiten der Elek- dererseits das Volumen des Elektrolyten, beispielstroden Kammern (18,20) für den Brennstoff und cn weise auf Grund von Veränderungen der Betrieb.,-das Oxydationsmittel bilden. bed.ngungen. abnimmt, wird sowohl über den Elek-

3. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche I trolytträger als auch über die in den Elektrolyten oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eingetauchten Elektroden durch Kapillarkraft ein eine der Elektroden aus einem porösen Material Rückstiom nach oben erreicht.

besteht, das den Elektrolyten aus der Elektrolyt- as Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die

kammer durch Kapillarkraft pbsorbiert. Unteransnrücke gekennzeichnet.

4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 Bevorzugte Au führungsbeispiele der Erfindung bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolyt- werden an Hand von Figuren beschrieben,
kammer auf der vom Elektrolytträger abgewand- Die Fig. 1 und 2 sind Schnitte durch Ausfühten Seite ein τ der Elektroden liegt. 30 rungsbeispielc der Erfindung.

5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 In der Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der bis 4, dadurch gekenr>Teichn~*, daß innerhalb der Erfindung eine Brennstoffzelle mit eingeschlossenem Kammern für die Gase ein Dochtmaterial (34) Elektrolyten gezeigt. Die Brennstoffzelle enthalt vorgesehen ist, das mit dei. gasseitigen Ober- zwei Deckplatten 2 und 4 mit Flanschen 6 und S am flächen d-r Elektroden in Berührung ist und zum 35 unteren Plattenende. Dabei ist jede Deckplatte mit Ansaugen des Elektrolyten an die gasseitigen einer Anzahl von beabstandcten Streben 10 und 12 Oberflächen der Elektroden in den in der Elek- versehen, die in die gleiche Richtung wie die Flantrolytkammer befindlichen Elektrolyten einge- ^chc ragen. Die Flansche und Streben stützen zwei taucht ist. Elektroden 14 und 16 deiart ab, daß zwischen den