-
Elektrochemische Zelle.
-
Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Zellen und insbesondere
auf solche Zellen, bei denen eine oder beide Elektroden Gas-Diffusionselektroden
sind, die teilweise in den Elektrolyt eingetaucht sind, wobei der übrige Teil der
Elektroden mit einem gasförmigen Medium in Verbindung steht.
-
Eine Metall-Luft-Zelle ist eine galvanische Zelle, die als Oxydationsmittel
Sauerstoff oder den Sauerstoff aus der liuft als reaktives Material an der positiven
Elektrode verbraucht. Der Sauerstoff dient hierbei als Kathodendepolarisator. Man
kann verschiedene Arten von Gas-Diffusions-Eathoden, durch welche Sauerstoff diffundiert,
verwenden. Hierzu gehören beispielsweise Kohlenstoffelektroden, pastenartige Elektroden
aus einem metallischen Katalysator, der mittels Polytetrafluoräthylen auf einem
Metallnetz gebunden ist und katalytisch aktive EohlenstofSpartlkelchen, die mittels
eines hydrophobischen Bindemittels miteinander
und mit einem Gitter
verbunden sind. In einer solchen Zelle kann die Anode aus verschiedenartigen Materialien
gebildet sein, beispielsweise aus lEagnesium, Blei, Zink und Aluminium.* Bei einer
wiederaufladbaren Zelle kann die Anode aus Blei, Zink, Eisen oder Kadmium bestehen.
Ein wässriger Elektrolyt steht mit beiden voneinander in einem Abstand angeordneten
Elektroden in Kontakt. In einer solchen Zelle, die eine Gas-Diffusions-Kathode besitzt,
entstehen verschiedene Probleme, wie beispielsweise das Problem des Tropfverlusts,
der Elektrolytverdunstung und des Leistungsabfalis.
-
Eine Metall-Brennstoff-Zelle verwendet als Brennstoff beispielsweise
Wasserstoff, der einer als Anode dienenden Gas-Diffusions-Elektrode ugefuhrt wird.
Die Kathode besteht beispielsweise aus Bleidioxyd. Ein wässriger Elektrolyt steht
mit beiden Elektroden, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind,
in Berührung. Beim Betrieb der Zelle wird das Bleidioxyd zu Blei reduziert. Eine
solche Zelle ist wiederaufladbar.
-
Eine Brennstoffzelle besteht im allgemeinen aus einem Elektrodenpaar,
das durch einen Elektrolyten getrennt ist0 Ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff,
wird der Anode zugeführt, an der der Brennstoff reagiert und Elektronen freisetzt.
Diese Elektronen fliessen durch eine äussere Leitungsverbindung zur Kathode oder
positiven Elektrode und werden dort durch Luft oder reines Sauerstoffgas verbraucht.
Der elektrische Kreislauf wird durch die Brennstoffzelle infolge Ionenleitung durch
den Elektrolyt geschlossen. In einer Brennstoffzellen-Batterie, die häufig aus einer
Mehrzahl von Einzelzellen besteht, ist es notwendig, ein komplexes Kanalsystem vorzusehen,
um sowohl den Wasserstoff als auch den Sauerstoff bzw. das sauerstoffhaltige Gas
zu den entsprechenden Elektroden zu führen.
-
Die Gas-Diffusions-Elektroden, sowohl der Metall-Brennstoff-Zelle
als auch der Brennstoff-Zelle, unterliegenden gleichen oben geschilderten
Problemen
wie die Metall-Luft-Zelle.
-
Die vorliegende Erfindung ist auf die Verbesserung elektrochemischer
Zellen gerichtet und kann beispielsweise bei fletall-Luft-Zellen, fletell-flrennstoff-Zellen
oder Brennstoff-Zellen angewendet werden. Bei den erfindungsgemässen Zellen ist
entweder eine oder sind beider Elektroden Gas-Diffusionselektroden, die teilweise
in aen Elektrolyten eingetaucht sind, wobei der übrige Teil der Elektrode dem gasförmigen
Medium ausgesetzt ist; die erfindungsgemässen Zellen stellen einfache und solide
Vorrichtungen *r und weisen die oben geschilderten Nachteile nicht auf. Bei diesen
Zellen ißt eine grosse Vielzahl von Gas-Diffusions-Elektroden verwendbar.
-
Wie bereits ausgeführt, ist die erfindungsgemässe elektrochemische
Zelle dadurch ausgezeichnet, dass sie eine erste und eine zweite Elektrode besitzt,
wobei zwischen diesen Elektroden ein mit ihnen in Berührung stehender wässriger
Elektrolyt angeordnet ist und zumindest eine der Elektroden aus einer solchen Gas-Diffusions-Elektrode
besteht, die teilweise in den Elektrolyt eingetaucht ist und der übrige Teil der
Elektrode einem gasförmigen Medium ausgesetzt ist.
-
Das Wesen vorliegender Erfindung wird im folgenden in seinen Einzelheiten
anhand der beiliegenden Zeichnungen weiterhin erläutert Figur 1 ist eine teilweise
geschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemässen
elektrochemischen Zelle; Figur 2 ist eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht einer modifizierten elektrochemischen Zelle; Figur 3 ist eine perspektivische
Ansicht einer weiteren Ausführungsform der elektrochemischen Zelle;
Figur
4 ist eine teilweise geschnittene seitliche Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung
und Figur 5 eine graphische Darstellung, die über die Zellenleistung Auskunft gibt,
wobei die Stromdichte gegen die Zellenspannung aufgetragen ist.
-
In-Sigur 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 allgemein eine erfindungsgemässe
elektrochemische Zelle bezeichnet, die eine Hetall-Luft-Zelle ist. Diese Zelle 10
besitzt ein Gehäuse 11 mit Seitenwänden 12 und einen Boden 13; das Gehäuse 11 ist
ferner mit einem Deckel 14 versehen. Eine erste Elektrode 15, nämlich eine Magnesium-Anode,
ist in geeigneter Weise, beispielsweise durch Einsetzen in eine Nut des Bodens 13,
im Gehäuse 11 angeordnet. An jeder Seite der Anode 15 ist eine elektrisch isolierende,
poröse Trennwand 16 vorhanden. An jeder Trennwandaussenseite ist eine zweite Elektrode
17, nämlich eine Gas-Diffusions-Kathode, angeordnet. Zu jeder Kathode 17 ist eine
elektrische Leitung 18 geführt, während die Leitung 19 zur Anode 15 führt. Im Gehäuse
11 befindet sich ein geeigneter Elektrolyt 20, wie beispielsweise eine wässrige
Salz-Lösung oder eine wässrige alkalische Lösung.
-
Während solch eine Metall-Luft-Zelle auch mit einer einzigen Anode
15 einer Trennwand 16 und einer einzigen Kathode 17 arbeitet, ist es zu bevorzugen,
ein Paar Kathoden 17 zu verwenden, da die Anode 15 zwei einander gegenüberliegende
brauchbare Oberflächen besitzt. In Figur 1 ist ein Paar Trennwände (Separatoren)
16 dargestellt, die dazu dienen, die Kathoden 17 von der Anode 15 zu trennen. Während
diese Anordnung zu bevorzugen ist, ist doch festzustellen, dass prinzipiell die
Kathode 17 nur in irgendeiner Weise im Abstand. von der Anode 15 gehalten sein muss,
um ein Funktionieren zu gewährleisten. Während in der Figur 1 eine einzige Anode
und ein Paar Kathoden gezeigt ist, kann man auch eine Vielzahl von Anoden und Kathoden
zu einer Batterie im Gehäuse 11 zusammenfassen.
-
Sowohl die Anode 15 als auch die Kathoden 17 sind teilweise in dem
Elektrolyt 20 eingetaucht und im Abstand voneinander gehalten, dargestellt. Jedoch
ist bei der erfindungsgemässen Zelle lediglich darauf zu achten, dass die Gas-Diffusions-Elektroden,
nämlich die Kathoden, teilweise in den Elektrolyt eingetaucht sind. Eine solche
teilweise Eintauchung umfasst sowohl den Zustand, bei denen die Kathoden nur zu
einem kleinen Teil mit dem Elektrolyten in Beruhrung stehen, als auch den Zustand
der fast völligen Eintauchung der Kathode. Es muss jedoch bei jeder Kathode noch
ein Oberflächenbereich übrig bleiben, der dem gasartigen Sauerstoffmedium ausgesetzt
ist, das über dem Elektrolyt angeordnet ist, sodass der Sauerstoff durch die Oberflächenbereiche
der Kathoden diffundieren kann.
-
Vorliegender Erfindung liegt also die überraschende Erkenntnis zugrunde,
dass man eine brauchbare Stromdichte aus einer elektrochemischen Zelle erhält, die
aus einem einen wässrigen Elektrolyten eathaltenden Gehäuse, ferner einer ersten
mit dem Elektrolyten in Berührung stehenden Elektrode, einer zweiten, ebenfalls
mit dem Elektrolyten in Berührung stehenden Elektrode, wobei diese Elektroden voneinander
in einem gewissen Abstand angeordnet sind, besteht und zumindest eine der Elektroden
eine Gas-Diffusions-Elektrode ist, die teilweise in den Elektrolyten eingetaucht
ist und der übrige Elektrodenteil einem gasförmigen Medium ausgesetzt ist. In der
obigen Beschreibung einer Metall-LuSt-Zelle sind die Gas-Diffusions-Elektroden die
Kathoden und das gasförmige Medium Sauerstoff, der durch die Atmosphäre zugeführt
wird.
-
Vorzugsweise besteht das Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material;
es ist mit einer Mehrzahl kleiner oeffnungen 21 im Bereich der Gehäuseoberkante
versehen, durch welche das gasförmige Medium, vorzugsweise Luft und damit Luft-Sauerstoff,
Zutritt ins Gehäuseinnere hat, was für den Betrieb der Zelle notwendig ist; im übrigen
ist die Zelle dicht, um einen Verlust an Elektrolyt
zu vermeiden.
-
Die Gas-Diffusions-Elektroden können aus einer Vielzahl von Stoffen
hergestellt sein. So können insbesondere poröse Materialien, die die Gas-Diffusion
eröglichen, in der Zelle verwendet werden.
-
Beispielsweise können die Gas-Diffusions-Elektroden lediglich aus
porösen Kohlenstoff-Blöcken oder Stäben bestehen, die man gegebenenfalls zwecks
Verbesserung ihrer wasserabweisenden Eigenschaft vorbehandelt hat.
-
Man kann ferner auch pastenförmige Elektroden verwenden, beispielsweise
einen Netall-Katalysator, der durch Polytetrafluoräthylen mit einem Metallnetz verbunden
ist, oder katalytisch aktive Kohlenstoffpartikelchen, die durch ein hydrophobisches
Bindemittel untereinander und an ein Netz gebunden sind. Solcherlei Elektroden sind
beispielsweise in der belgischen Patentschrift 644 167 und in der USA-Patentanmeldung
Ser. Nr. 664 366 besohrieben. Auf diese Literatur wird hier ausdrtioklioh verwiesen.
-
Die oben beschriebene "erste Elektrode", die als Anode in der Metall-Luft-Zelle
dient, kann aus konventionellem Anodenmaterial, beispielsweise aus Aluminium, Nagnesium,.Blei,
Zink oder deren Legierungen bestehen. Geeignete Elektrolyte bestehen beispielsweise
aus Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Magnesiumsulfat, Ealiumhydroxyd, usw.
-
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass man Elektrolyt-2ropfverluste,
Elektrolyt-Verdunstung und ein Leistungsabfall bei Gas-Diffusions-Elektroden in
elektrochemischen Zellen dadurch vermeiden kann, dass man die Gas-Diffusions-Elektrode
teilweise in den Elektrolyten eintaucht und den verbleibenden, nicht eingetauchten
Teil der Elektrode einem gasförmigen Medium, wie Luft-Sauerstoff aussetzt. Dabei
sind die Elektroden in einem im allgemeinen gegen Leckage sicheren Gehäuse enthalten,
wobei ein solides, einfaches und leicht zussmmenzubauendes Gerät geschaffen
wird.
Mit der Anode und Kathode sind Lei/tungen verbunden, die die Gehäusewand durchstossen
und eine geeignete Verbindung zu einem Elektrizitätsverbrauoher schaffen.
-
Bei dem Betrieb der in Figur 1 gezeigten Zelle wird ein Paar Gas-Diffusions-Kathoden
17 und eine Magnesium-Anode 15 verwendet, wobei Kathode und Anode durch ein Paar
Trennwände 16 getrennt sind. Solche Trennwände (Separatoren) können aus verschiedenen
Stoffen bestehen, die porös und sowohl gegenüber dem Elektrolyt als auch gegenüber
der während des Betriebs der Zelle ablaufenden chemischen Reaktion inert sind. Beispielsweise
sind Separatoren aus Polyäthylen- oder Polypropylen-Netzen sehr befriedigend. An
jeder der Kathoden ist eine Leitung 18 und an der Anode 15 eine Leitung 19 vorhanden.
Die Elektroden mit den dazwischen angeordneten Separatoren sind im Gehäuse 11 angeordnet;
die Leitungen führen durch die Gehäusewände zu einer Stelle von Elektrizitätsverbrauch,
beispielsweise einer elektrischen Birne. Die Elektroden können in dem Gehäuse auf
jede geeignete Art angeordnet sein, beispielsweise dadurch, dass man sie in eine
Nut auf der Innenseite des Bodens 13 des Gehäuses 11 presst oder durch Verwendung
eines Paars elektrisch isolierender Unterlagen, die sich auf den jeweiligen Elektrodenseiten
befinden. Ein geeigneter Elektrolyt, wie beispielsweise eine wässrige Natriumchlorid-Lösung,wird
in das Gehäuse eingegossen, sodass beide Kathoden 17 und die Anode 16 sich in Berubrung
mit dem Elektrolyten 20 befinden. Dabei dürfen die Kathoden nur teilweise in den
Elektrolyten eingetaucht sein, sodass von jeder Kathode ein Teil der sich über dem
Elektrolyten befindlichen Luftatmosphäre ausgesetzt ist. Sobald der Elektrolyt in
das Gehäuse eingegeben ist, kann ein elektrischer Strom von der Zelle abgeleitet
und beispielsweise in einer elektrischen Birne verbraucht werden.
-
Bei dem eben beschriebenen Zellenbetrieb wurde eine einzige Anode
und ein Paar an Kathoden beschrieben. Es ist zu betonen, dass man auch eine Vielzahl
von Anoden und Kathoden, die jeweils.
-
voneinander getrennt angeordnet und in Reihe oder parallel geschaltet
miteinander verbunden sind, verwendet werden können.
-
Die oben beschriebene Metall-LuSt-Zelle kann derart modifiziert werden,
dass sie als Metall- Brennstoff-Zelle arbeitet. Solche Zellen verwenden eine Gas-Diffusions-Elektrode
des oben beschriebenen 'Pyps als Anode. Die andere Elektrode besteht aus einem Material,
das reduzierbar ist, beispielsweise aus Bleioxyd. Als Elektrolyt kann der gleiche
Typ, wie oben angegeben, verwendet werden. Die Anode'iaZ teilweise in den Elektrolyten
eingetaucht, wobei ihr nicht eingetauchter Teil einem gasförmigen Medium, wie Wasserstoff,
ausgesetzt wird, der aus einer geeigneten Quelle zugeleitet wird. Während des Betriebs
der Zelle wird das Bleidioxyd zu Blei reduziert. Diese Zelle ist wiederaufladbar.
-
Die oben beschriebene Metall-LuSt-Zelle oder Metall-Brennstoff-Zelle
kann ferner derart modifiziert werden, dass sie als Brennstoff-Zelle arbeitet. Eine
solche Zelle verwendet ein Paar an Gas-Diffusions-Elektroden der oben beschriebenen
Art, die teilweise in einen ähnlichen Elektrolyten eingetaucht sind und teilweise
verschiedenen Gasmedien ausgesetzt werden. Eine Elektrode wird gasförmigem Sauerstoff,
der aus einer geeigneten Quelle, beispielsweise Luft, stammt,, ausgesetzt, während
die andere Elektrode gasförmigem Wasserstoff ausgesetzt wird. Bei einer solchen
Anordnung ist es notwendig, eine Trennwand anzuordnen, um eine Vermischung der beiden
Gase zu verhindern, die getrennt den Elektroden zuzuführen sind.
-
In Figur 2 ist eine modifizierte Zelle oder Batterie 22 dargestellt.
Diese Zelle besitzt ein elektrisch isolierendes Gehäuse 23, das in kreisförmiger
Bauart dargestellt ist. In dem Gehäuse befindet sich ein spiralenförmiger Körper
24, der aus einer ersten Elektrode 25 in Streifenform, einem chemisch inerten und
porösen Abstandshalter 26 in Streifenform, der in Nachbarschaft zur Elektrode 25
angeordnet ist, und aus einer Gas-Diffusions-
Elektrode 27, die
auf der anderen Seite des Abstandhalters 26 angeordnet ist, besteht. Diese Streifen
sind zusammen zu einem spiralenfrmigen Kdrper gebogen. Eine nicht gezeigte Leitung
läuft von Jeder Elektrode nach aussen durch die Gehäusewand. Wenn das Gehäuse 23
nicht aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, ist eine elektrische Isolierschicht
zwischen der Innenwand des Gehäuses 23 und dem spiralenförmigen Körper 24 angeordnet.
Um die Zelle gegen Leckage zu schützen, ist auf sie ein nicht gezeigter Deckel aufgesetzt.
In diesem Deckel oder im Bereich des oberen Randes des Gehäuses sind kleine Offnungen
vorgesehen, um dem Luftsauerstoff Zutritt zur Zelle zu ermöglichen, der für deren
Betrieb notwendig ist. Ferner sind diese Öffnungen derart angeordnet, dass ein zufälliger
Verlust an Elektrolyt ausgeschlossen ist.
-
Zur Inbetriebnahme dieser Zelle wird der Elektrolyt 20 in das Gehäuse
23 bis zu einer solchen Eöhe eingegossen, dass beide erste Elektroden 25, die Anoden
sind,und die Gas-Diffusions-Elektrode 27, die als Kathode dient, sich in Berillirung
mit dem Elektrolyten befinden und dass die Kathode nur teilweise in den Elektrolyten
eingetaucht ist und teilweise dem Sauerstoff enthaltenden gasförmigen Medium ausgesetzt
ist. Während man bevorzugtermassen die Anode 25 und die Kathode 27 durch das Dazwischenlegen
eines porösen Separators im Abstand voneinander hält, ist es auch möglich, durch
geeignete Anordnung die Anode und die Kathode in einem solchen Gehäuse ohne Verwendung
eines Separators zu fixieren. Sobald der Elektrolyt in das Gehäuse eingegeben ist,
kann ein elektrischer Strom vorder Zelle abgezogen und beispielsweise durch eine
elektrische Birne verbraucht werden. Bei dieser Anordnung sind die verschiedenen
Probleme, die sonst bei Verwendung einer Zelle mit Gas-Diffusions-Kathode einhergehen,
wie beispielsweise Tropfverlust, Elektrolytverdunstung und Leistngsabfall, gelöst.
-
Die oben beschriebene Metall-LuftlZelle kann derart modifiziert
werden,
dass sie entweder als Zetall-Brennatoff-Zelle oder als Brennstoff-Zelle in der wie
oben bezüglich der Modifiziexung der Metall-Luft-Zelle gemäss Figur 1 beschriebenen
Art und Weise arbeitet. Wenn eine solche Zelle als Metall-Brenastoff-Zelle arbeitet,
ist die Anode eine Gas-Diffusions-Elektrode, die teilweise in den Elektrolyten eingetaucht
und teilweise einem gasförmigem Medium, wie Wasserstoff, ausgesetzt ist. Die Kathode
ist eine Elektrode, die aus einem Material, wie Bleidioxyd, das durch den der Zelle
zugeführten Wasserstoff-Brennstoff reduzierbar ist, besteht. Wenn die Zeile als
Brennstoff-Zelle betrieben wird, sind sowohl die Anode und die Kathode Gas-Diffusions
ElWktredenfl die teilweise in den Elektrolyten eingetaucht sind und teilweise den
gasartigen Medien ausgesetzt sind, Das eine gasartige MedLwm, das Sauerstoff enthält,
befindet sich mit einem Teil der einen Elektrodenart in Kontakt, während das zweite
gasartige Medium von der Art des Wasserstoffs mit der anderen Elektrodenart sich
in Berührung befindet. Diese gasartigen Medien wurden durch geeignete Mittel, wie
Trennwände, vor einer gegenseitigen Berührung geschützt.
-
In Figur 3 ist eine auf andere Weise modifizierte elektrochemische
Zelle gezeigt, bei der das sonst in einer solchen Zelle vorhandene Gehäuse weggelassen
ist. Die Zelle 28 besitzt eine erste Elektrode" 29, eine chemisch inerte, poröse
Matrix 30, die einen wässrigen Elektrolyten enthält, sowie eine "zweite Elektrode"
31, die eine Gas-Diffusions-Struktur aufweist. Die Matrix 30 ist zwischen den beiden
Elektroden 29 und 31 angeordnet und befindet sich in Kontakt mit diesen. Die Gas-Diffusions-Elektrode
31 besitzt einen grösseren Durchmesser als die Matrix 30, wobei ein Teil der Elektrode
31 in Berührung mit der den Elektrolyten enthaltenden Matrix 30 ist, d.h. die Elektrode
31 ist teilweise in den Elektrolyten eingetaucht und teilweise dem gasförmigen Medium
von der Art der Luft, das Sauerstoff enthält, ausgeaett. In Figur 3 ist die Elektrode
29 die Anode der Zelle, wäbrend,Elektrode 31 die Kathode der Zelle ist. Ebenso wie
in den oben beschriebenen Zellen der Figuren 1 und 2 ist eine
nioht
gesejohaute elektrische Leitung mit jeder Elektrode verbunden, sua Zwecke der Schaffung
einer elektrischen Verbindung mit der Stelle elektrischen Verbrauchs.
-
Diese Zelle arbeitet in der gleichen Weise wie die in den Figuren
1 und 2 gezeiohneten Metall-Luft-Zellen. Die Anordnung der Figur 3 ist eine besondere
einfache und leicht zusammenzubauende Zelle, bei der auf ein Gehäuse oder die Verwendung
von freiem Bloktrolyten verzichtet werden kann.
-
Die Elektroden 29 und 31 sind von der gleichen Art wie die Elektroden
der AuatUhrun6sformen gemäss Figuren 1 und 2. Der gleiche Elektrodentyp ist in der
Matrix 30 imprägniert enthalten, wobei diese Matrix aus einer Vielzahl von Materialien
bestehen kann, die chemisch inert und porös sind und die den Elektrolyten aufnehmen
können. Solche Materialien sind beispielsweise Papier, Tuch und poröse Xunststoffe.
-
Die oben beschriebene Metall-Luft-Zelle kann derart modifiziert werden,
dass sie als Metall-Brennstoff-Zelle oder als Brennstoff-Zelle arbeitet, wobei die
Modifizierung in analoger Weise,wie bei den Zellen der Figuren 1 und 2 beschrieben,
erfolgt. Ferner kann man eine Batterie dadurch herstellen, dass man eine Mehrzahl
von Zellen der in Figur 3 gezeichneten Art zusammensetzt. Bei diesem Zusammensetzen
der Zellen befindet sich Jeweils die Gas-Diffusions-Elektrode einer Zelle oder Batterie-Einheit
in Kontakt mit der benachbarten "ersten Elektrode" der nächsten Batterie-Einheit.
Die einzelnen Zellen können miteinander sowohl in Reihenschaltung als auch in Parallelschaltung
verbunden sein, wenn man eine grosse Batterie oder Zelle schaffen will. Gegebenenfalls
können die einzelnen Zellen auf an sich bekannte Art und Weise, beispielsweise durch
Klammern, zusammengehalten sein. Anstelle der Matrix 30 kann auch ein chemisch inerter
Ring, der freien Elektrolyt enthält, verwendet werden.
-
Ferner kann man die Zelle der Figur 3 dadurch modifizieren, dass man
die Anode, die Matrix und die Gas-Diffusions-Elektrode in Streifenform verwendet.
Diese Streifen werden zu einem spiraligen Körper gewickelt, wobei man eine modifizierte
elektrochemische Zelle erhält, die kein umhüllendes Gehäuse benötigt.
-
In Figur 4 ist eine Brennstoffzelle 32 dargestellt, die aus einem
äusseren Gehäuse 33 und einem inneren Gehäuse 34 besteht. Der obere Teil 35 des'Gehäuses
33 ist vom unteren Teil 36 des Gehäuses abgetrennt. Auf diese Weise wird eine Sauerstoffkammer
im oberen Teil 35 gebildet, die eine Gaszuführung 37 und eine Gasableitung 38 besitzt.
Der Sauerstoff kann von einer Sauerstoffquelle bezogen werden oder aus der Luft
stammen, die in diese Kammer eingeleitet wird. Der untere Teil 36 des Gehäuses 33
dient als Wasserstoffkammer und weist eine Zuführung 39 und eine Ableitung 40 auf.
Der Wasserstoff wird aus einer geeigneten Quelle zugeführt. Gegebenenfalls können
auch andere Brennstoffgase durch die Zuführung 39 eingespeist werden.
-
Das Gehäuse 34 enthält eine Mehrzahl an Gas-Diffusions-Kathoden 41
und 42, die beim Einsetzen in das Gehäuse 34 im Abstand voneinander angeordnet werden.
Gegebenenfalls kann man auch chemisch inerte und poröse Abstandhalter oder Matritzen
verwenden. Das eine Ende jeder Kathode 41 erstreckt sich in den oberen Bereich 35
des Gehäuses 33 und ist dadurch mit dem in die Sauerstoffkammer eingeleiteten sauerstoffhaltigen
Gas in Berührung. In entsprechender Weise erstrecken sich die Enden der Anoden 42
in die Wasseretoffkammer oder Brennstoffkammer und sind dadurch in Kontakt mit dem
in dieser Kammer vorhandenen gasförmigen Medium.
-
Das Gehäuse 34 ist mit einem Elektrolyten 43 gefüllt, sodass sowohl
die Anoden als auch die Kathoden teilweise in diesen Elektrolyten eingetaucht und
teilweise dem jeweiligen gasförmigem Medium ausgesetzt sind. Wie bei den verschiedenen
Arten der BrennatoffsellenJkönnen verschiedene Elektrolyttypen und Brennstofftypen
bei vorliegender Erfindung eingesetzt werden.
-
Bei dem Betrieb der Vorrichtung gemäss Figur 4 sind eine Mehrzahl
von Kathoden 41 und Anoden 42 im Gehäuse 34 angeordnet, wobei die Anoden und Kathoden
elektrisch leitend verbunden sind.
-
Das Gehäuse 34 wird mit einem geeigneten Elektrolyten, beispielsweise
EaliuShydroxyd, gefüllt. Ebenso wie bei der in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigten
Kathoden, kann eine Vielzahl von Strukturen eingesetzt werden. In Figur 4 besteht
die Anodenstruktur aus einer Gas-Diffusions-Blektrode, die identisch ist mit der
Kathodenstruktur. Ein geeignetes Oxydans, wie Sauerstoff, wird durch die Zuführung
37 eingeleitet und in Kontakt mit den Kathoden 41 gebracht. Zur Ableitung der gasartigen
Produkte dient der Auslass 38. In entsprechender Weise wird Wasserstoff oder ein
anderer geeigneter Brennstoff durch die Zuführung 39 in den unteren Bereich 36 eingeleitet
und in Kontakt mit den Anoden 42 gebracht.
-
Zur Abführung der Gase dient die Ableitung 40. Auf diese Weise arbeitet
die Vorrichtung 32 als Brennstoffzelle. Durch diese geoffenbarte Anordnung der Anoden
und Kathoden, die teilweise in den Elektrolyten 43 im Gehäuse 34 eingetaucht sind,
werden viele Probleme gelöst, die bisher bei Gas-Diffusions-Elektroden bestanden.
-
Im folgenden werden Beispiele von elektrochemischen Zellen, die erfindungsgemäss
hergestellt wurden, ausgeführt.
-
Beispiel 1: Elektrisch leitende, katalytisch aktive Kohlenstoffpartikelchen
wurden aus Holz durch Hitze- und Dampfbehandlung hergestellt.
-
Der Kohlenstoff wurde sodann mit starker Mineralsäure und anschliessend
mit Wasser gewaschen, um die extrahierbaren anorganischen Inhaltsstoffe zu entferne.
Sodann wurde eine 10 gewichtsprozentige Lösung von Polyvinylfluorid (PV) in N,N-Dimethylacetamid
(dna) hergestellt. Man gab die eben beschriebenen.
-
Kohlenstoffpartikelchen zu dieser Lösung, wobei das PVF 15 Gewichtsprozent
des Kohlenstoffes ausmachte. Eine zusätzliche Menge an DMA wurde zum Zwecke der
Einstellung der Konsistenz hinzugegeben. Die Aufschlä:nung wurde sodann auf ein
Nicklnets
aufgebUratet und anschliessend das Lösungsmittel durch
24 stündiges Erhitzen mittels Luft auf eine Temperatur von etwas unterhalb 5O0C'ausgetrieben,
wobei die fertige Gas-Diffusions-Elektrode entstand.
-
Man schnitt zwei Streifen des Formats 10 cm x 1,25 cm von der vorgenannten
Elektrode als die als die beiden Gasdiffusions-Kathoden der in Figur 1 gezeigten
Art eingesetzt wurden. Als Anode diente ein Magnesiumstreifen; die Trennwände (Separatoren)
zwischen den Kathoden und der Anode bestanden aus netzförmigem Polyäthylen. Als
wässrige Lösung wurde bei dieser -Zelle eine 7 %ige Natriumchlorid-Lösung eingesetzt.
Gemäss der Offenbarung vorliegender Erfindung wurde eine solche Menge an Elektrolyt
in das Gehäuse eingegeben, dass die Kathoden bis zu einer Hohe von 0,625 cm (teilweise)
eingetaucht waren. Der übrige, nicht eingetauchte Bereich der Kathoden wurde der
Luft ausgesetzt. Da die Anode von entsprechender Grösse wie die Kathode war, war
sie ebenso teilweise eingetaucht.
-
Die Leistung dieser Zelle unter den eben beschriebenen Bedingungen
ist aus der graphischen Darstellung der Figur 5 zu entnehmen. Wenn man die Zelle
so weit mit Elektrolyt füllt, dass zwei Drittel des gesamten Bereichs der Kathoden
in den Elektrolyten eingetaucht sind, ist die Zellenleistung ebenso gross wie beim
erstgenannten Fall der Eintauchung.
-
Beispiel 2: Es wurde eine andere Metall-Luft-Zelle unter Verwendung
der Elektrodenstruktur der in Beispiel 1 gezeigten Art hergestellt, wobei die Anode
aus einem Zinkblech und der Elektrolyt aus einer 31 gewichtsprozentigen wässrigen
Lösung von Kaliumhydroxyd bestand. Der Elektrolyt wurde zunächst so weit eingegeben,
dass die Hälfte deX Bereichs der Kathoden eingetaucht war. Die Zellenleistung unter
diesen Bedingungen wird durch die Kurve. II der Figur 5 dargetellt. Sodann wurden
zwei Drittel des Gesamtbereichs
der Kathoden eingetaucht. Die
Zellenleistung war bei diesen Bedingungen die gleiche wie bei der zuvor beschriebenen
Eintauchtiefe.
-
Patentansprüche: