DE1942111B2 - Brennstoffzelle mit einer Luftsauerstoff-Diffusionselektrode - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer napfförmigen, einen Katalysator enthaltenden, mikroporösen Luftsauerstoff-Diffusionselektrode, in welcher ein flüssiger alkalischer Elektrolyt und eine Gegenelektrode enthalten sind, wobei die Luftsauerstoff-Diffusionselektrode mit einem mikroporösen Außenmantel aus einem hydrophoben Kunststoff versehen ist

Bei einer bekannten Brennstoffzelle dieser Art (vgl. so FR-PS 14 65 879) besteht die kathodische Diffusionselektrode (positive Elektrode) aus einer hydrophoben Kunststoffmembran (Polytetrafluoräthylen), welche luftdurchlässig, jedoch gegenüber dem Elektrolyten undurchlässig ist Auf der Innenfläche dieser Kunststoffmembran ist eine Schicht aus einem Katalysator, z. B. aus Aktivkohle angebracht welche vorzugsweise einen hydrophoben Kunststoff, z. B. Polytetrafluoräthylen, enthält Weiterhin bekannt ist eine Ausführung, bei der eine relativ hydrophobe Kohlenstoff-Polytetrafluor- ^ω äthylen-Schicht und eine relativ hydrophile Schicht Kohlenstoff unter Zwischenlage eines Metalleiters als Stromleiter, z. B. ein Nickelgitter, aneinander geschichtet sind, wobei die hydrophobere Schicht nach außen weist und vor der Luft beaufschlagt wird, während die mehr hydrophile Schicht nach innen gerichtet ist und mit dem die innere Gegenelektrode umgebenden flüssigen Elektrolyten in Berührung steht. In der Diffusionselektrode befinden sich eine Gegenelektrode, z.B. aus Zink und ein alkalischer Elektrolyt z.B. Kaliumhydroxyd Alle vorbekannten Ausführungen bauen sich also aus einer gegenüber den Elektrolyten hydrophilen und den Katalysator enthaltenden Innenschicht und einer hydrophoben, luftdurchlässigen, aber elektrolytundurchlässigen Außenschicht auf.

Bei solchen Brennstoffzellen dringt durch die Mikroporen des Außenmantels Luft ein, deren Sauerstoff mit dem die Poren der Katalysatorschicht benetzenden Elektrolyten in Berührung kommt Durch Elektronenaufnahme wird der Sauerstoff ionisiert Die Hydrophobierung der Außenschicht oder beider Schichten bezweckt daß die diese Reaktion ermöglichende Dreiphasengrenze möglichst im Bereich der dem Elektrolyt zugewandten Fläche der Katalysatorschicht erfolgt und hierdurch der für den Fortlauf der Reaktion erforderliche Stoffaustausch stattfinden kann.

Dieser Aufbau hat jedoch den Nachteil, daß das von der Luft mitgeführte Kohlendioxid ebenfalls mit dem Elektrolyten unter Bildung von Karbonaten reagiert welche sich in den Poren der Diffusionselektrode ablagern und den weiteren Zutritt von Luftsauerstoff versperren. Dieser Nachteil besteht sowohl bei der Ausführung, bei der die Katalysatorschicht zusätzlich hydrophobiert ist wie auch bei jener, welche keine zusätzliche Hydrophobierung hat wobei nur die Zone der Karbonatausscheidung etwas verschoben ist

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle der gattungsgemäßen Art derart auszugestalten, daß die durch die Nebenreaktionen verursachten Verstopfungen der Poren vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß sich zwischen der Diffusionselektrode und dem Außenmantel ein mikroporöser Abstandshalter befindet

Hierdurch werden die Poren der den Katalysator enthaltenden Diffusionselektrode teilweise mit Elektrolyt benetzt wobei sich diese Benetzung bis in den Abstandshalter fortsetzt Die durch den Außenmantel geströmte Luft muß diesen mit einem Elektrolytfilm benetzten Abstandshalter zunächst durchströmen, ehe sie auf die eigentliche Diffusionselektrode einwirkt Dabei reagiert aber das in der Luft enthaltene Kohlendioxid mit dem Elektrolyt unter Abscheidung von Karbonat in vorteilhafter Weise im Abstandshalter. In die mit Elektrolyt benetzten Poren der Diffusionselektrode gelangt daher Luft welche keinen oder nur noch einen sehr verringerten CCVGehalt besitzt so daß eine den Porenquerschnitt verengende Ablagerung von Karbonat dort nicht mehr erfolgen kann. Die an CO2 verarmte Luft strömt dann in die mit Elektrolyt benetzten Poren der Diffusionselektrode, wo an der Dreiphasengrenze die stromerzeugenden Reaktionen stattfinden. Der mikroporöse Außenmantel hingegen läßt einerseits Luft zu dem Abstandshalter strömen und verhindert andererseits ein Austreten von Elektrolyt aus dem Abstandshalter.

Diese Wirkung läßt sich in vorteilhafter Weise sowohl mit einer Diffusionselektrode erreichen, welche aus zwei, ein Metallgitter einfassende Schichten mit unterschiedlichem Gehalt an PTFE besteht wie auch mit einer solchen, welche über ihre ganze Dicke eine einheitliche Zusammensetzung hat. In beiden Fällen ist eine an sich bekannte Teilhydrophobierung, bezogen auf den Elektrolyten vorgesehen, so daß die Poren der den Katalysatorstoff enthaltenen Diffusionselektrode mit einem Elektrolytfilm benetzt werden. Die zwei-

schichtige Ausführung ermöglicht fertigungstechnisch eine günstige Einlagerung des der Stromleitung dienenden Metallgitters.

Da der in der Luft vorhandene Stickstoff mit dem Elektrolyten keine Verbindung eingeht, welche die Poren der Diffusionselektrode verstopfen könnten, bedarf es gegenüber Stickstoff keiner besonderen Maßnahmen. Auch bei der Dreiphasenreakiion erfolgt durch Stickstoff keine wesentlich beeinträchtigende Einwirkung.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erennstoffzellen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.

In vorteilhafter Weise lassen sich auch mehrere der erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffzellen zur Bildung von Brennstoffbatterien anordnen, wobei je nach Ausbildung und Zusammensetzung jede Zelle mit einem eigenen Außenmantel versehen sind, oder alle Zellen einen gemeinsamen Außenmantel haben.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein Teil einer Brennstoffzelle,

Fig.2 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf eine Batterie mit mehreren Brennstoffzellen gemäß Fig. 1,

Fig.3 den Gegenstand der Fig.2 in einem Längsschnitt nach Linie IH-III,

Fig.4 eine abgewandelte Ausführung in einem Längsschnitt und

Fig.5 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle.

Die in F i g. 1 dargestellte Brennstoffzelle 1 besteht aus einer Diffusionselektrode 2 mit einem eingebetteten Metallgitter 3. Die dieses Metallgitter einfassenden Schichten 4, 5 können aus verschiedenen Mischungen aus Kohlenstoff und Polytetrafluoräthylen (PTFE) bestehen, wobei die innere Schicht 4 einen geringeren Anteil an PTFE hat als die äußere Schicht 5. Ein alkalischer Elektrolyt 9, z. B. eine wäßrige Kaliumhydroxidlösung, benetzt sowohl die Schichten 4, 5 wie auch eine in F i g. 1 nicht dargestellte metallische Gegenelektrode 7, welche, wie Fig.3 zeigt, unter Zwischenlage eines Separators 8 innerhalb der Diffusionselektrode 2 angeordnet ist. In F i g. 1 ist der Elektrolyt 9 nur sinnbildlich dargestellt Einige der kanalartigen Poren 6 der mikroporösen Diffusionselektrode sind in F i g. 1 schematisch angedeutet Weiterhin ist die Brennstoffzelle 1 mit einem Außenmantel 10 aus mikroporösem Polytetrafluoräthylen versehen, dessen Poren 11 ebenfalls schematisch angedeutet sind. Zwischen der Diffusionselektrode 2 und dem AußenniunteJ 10 befindet sich ein mikroporöser Abstandshalter 12, vorzugsweise aus faserartigem Material.

Sobald nun ein Luftstrom 13 auf die Brennstoffzelle 1 einwirkt, durchströmt dieser zuerst die Poren 11 des Außenmantels 10 und dann den mit Elektrolyt benetzten Abstandshalter 12, ehe er auf die mit Elektrolyt benetzte äußere Schicht 5 der Diffusionselektrode trifft. Um eine Benetzung der äußeren Elektrodenfläche und damit auch des Abstandshalters 12 zu ermöglichen, kann der Polytetrafluoräthylenanteil in der äußeren Schicht 5 entsprechend niedrig sein (z. B. nicht mehr als 40 Gewichtsteile PTFE auf 100 Teile Kohlenstoff). Hierdurch wird innerhalb der relativ großen Poren im Abstandshalter 12 Karbonat ausgeschieden, so daß

s dieses nicht mehr die Poren 6 der Diffusionselektrode verstopft

In den Fig.2 und 3 ist eine Brennstoffbatterie 14 gezeigt, welche mit drei der F i g 1 entsprechenden Brennstoffzellen 1 versehen ist, wobei jede Brennstoffzelle eine anodische Gegenelektrode (negative Elektrode) 7 (z. B. aus Zink) enthält Jede Gegenelektrode 7 ist von einem geeigneten Separator 8 umgeben, der aus ein oder mehreren Schichten eines durchlässigen oder semipermeabler! Folienmaterials, z. B. Cellophan, besteht Die Metallgitter 3 jeder Brennstoffzelle sowie die Gegenelektrode 7 sind jeweils parallel am Stromleiter 16 bzw. 17 angeschlossen und führen durch einen isolierenden Deckel 18, der auf einem gemeinsamen Außenmantel 10 aufliegt Die Brennstoffzellen 1 sind von dem gemeinsamen Außenmantel 10 unter Zwischenlage eines faserartigen Abstandshalters 12 umgeben, der zwischen den benachbarten Brennstoffzellen Wände 15 hat um zwischen diesen den Lufteintritt zu verbessern.

Fig.4 zeigt eine Brennstoffbatterie mit zwei Brennstoffzellen 1, ähnlich den Zellen der F i g. 2 und 3, jedoch mit je einem eigenen mikroporösen Außenmantel 10. Die beiden Außenmantel 10 sind durch einen festen Abstandshalter 19, z. B. einer gewellten Kunststoffolie, der Luftkanäle bildet, voneinander getrennt Die Zellen sind über die einzelnen Stromleitungen 16,17 in Serie geschaltet und werden mit einem geeigneten Druck durch Spannbolzen 20 zusammengehalten. Fig.5 zeigt eine weitere Ausführung mit einer zylinderförmigen Brennstoffzelle. Eine zentrische Gegenelektrode 7 aus Zink ist innerhalb einer napfförmigen Diffusionselektrode 2 von einem flüssigen Elektrolyten 9 umgeben. Die Diffusionselektrode ist koaxial von einem mikroporösen Außenmantel 10 eingefaßt, wobei ein kleiner Abstand durch einen ringförmigen Abstandshalter 12 erhalten wird. Ein aufliegender Deckel ist durch 18 gekennzeichnet Die Gegenelektrode 7 kann erforderlichenfalls von einem Separator umgeben sein. Bei dieser Ausführung beträgt der radiale Abstand zwischen der ringförmigen Diffusionselektrode 2 und dem Außenmantel 10 etwa 0,5 mm bis 2 oder 3 im

Selbstverständlich können beliebig viele Brennstoffzellen der vorgeschriebenen Art zu einer Batterie zusammengefaßt sein und mit ihren Stromanschlüssen entweder parallel (wie in Fig.3) oder in Serie (wie in Fig.4) geschaltet werden, und zwar entweder mit einem gemeinsamen oder mit einzelnen Außenmänteln. Die Erfindung ist für alle ähnlichen chemischen Stromerzeuger geeignet, bei denen ein Depolarisationsgas zugegeben wird, dessen Begleitstoffe unerwünschte Reaktionsprodukte bilden.

Obwohl bei dem beschriebenen Brennstoffsystem Kohlenstoff ein bevorzugter Katalysator ist können auch andere katalytisch aktive Stoffe wie Silber (eventuell mit Quecksilber legiert), Nickel oder Kupfer verwendet werden. Schließlich kann die Gegenelektrode bzw. Anode anstelle aus oxydierbarem Metall auch als (jasdepolarisationselektrode ausgebildet sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Brennstoffzelle mit einer napfförmigen, einen Katalysator enthaltenden, mikroporösen Luftsauerstoff-Diffusionselektrode, in welcher ein flüssiger alkalischer Elektrolyt und eine Gegenelektrode enthalten sind, wobei die Luftsauerstoff-Diffusionselektrode mit einem mikroporösen Außenmantel aus einem hydrophoben Kunststoff versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwi- to sehen der Diffusionselektrode (2) und dem Außenmantel (10) ein mikroporöser Abstandshalter (12) befindet

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (12) aus <s einem mikroporösen Gewebe, Filz oder synthetischem Fasererzeugnis besteht

3. Brennstoffzelle nach den Ansprächen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionselektrode (2) aus einer Mischung aus Kohlenstoff und Polytetrafluoräthylen und der mikroporöse Außenmantel (10) aus Polytetrafluoräthylen besteht

4. Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionselektrode aus zwei Schichten (4,5) besteht von denen die innere Schicht (4) mit einem geringeren Anteil an Polytetrafluoräthylen versehen ist als die äußere Schicht (5).

5. Brennstoffbatterie aus Brennstoffzellen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Brennstoffzellen (1) nebeneinander angeordnet sind und jede Zelle einen eigenen Außenmantel (10) besitzt

6. Brennstoffbatterie aus Brennstoffzellen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß mehrere Brennstoffzellen (1) nebeneinander angeordnet sind und alle Zellen einen gemeinsamen AußeniTiantel (10) haben.