DE2108537C3 - Brennstoffelement für die Umsetzung von Gasen mit aus katalytisch aktivem Pulvermaterial bestehenden Elektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement für die Umsetzung von Gasen mit aus katalytisch aktivem Pulvermaterial bestehenden Elektroden, wobei sich das Elektrodenmaterial in einem Behälter befindet und sowohl vom Elektrolyten als auch vom Gas durchsetzt ist

Es sind bereits Katalysator-Sieb-Elektroden bekannt (DT-AS 10 59 990, 11 63 412 und 11 83 150). bei denen sich zwischen einer Fritte und einem Mikrosieb das Katalysatorpulver als lose Schüttung ohne mechanischen Druck befindet Bei diesen Elektroden wird das Gas von der einen Seite herangeführt während sich der Elektrolyt auf der anderen Seite befindet Das Gas wird durch die Fritte in die Pulverschüttung gepreßt und soll auf der entgegengesetzten Seite durch das Mikrosieb am Austreten verhindert werden. Durch ein derartiges Sieb ist jedoch ein Halten des Gases in der Pulverschüttung nicht möglich, so daß Gasverluste nach außen entstehen. Die Herstellung der Mikrosiebe ist schwierig. Die Umsetzung findet im Inneren der Elektrode an der Dreiphasengrenze statt; der Abstand von Fritte und Mikrosieb darf daher nicht zu groß sein.

Es sind auch Brennstoffelemente mit Pulverschüttung bekannt (Journ. Electrochem. Soc, 116, 1969, S. 885 bis 887; US-PS 34 42 714), bei denen hur Gas durch die Pulverschüttung gedrückt wird

Die Verwendung von Pulverelektroden für Brenn-Stoffelemente ist schließlich durch das Buch »Elektrochemische Stromerzeugung« von v.Sturm, Siemens-Ve-IiSg, 1969, S. 108 und 109, bekannt Eine dort beschriebene Zelle besteht aus einem scheibenförmigen, porösen und vom Elektrolyten durchströmten Stützgetust, zu dessen beiden Seiten Asbestpapier anliegt, gegen welches eine Schicht aus Katalysatorpulver mittels eines Metallnetzes gepreßt wird, das zur Stromablei-,tung dient und von dessen Seite die Reaktionsgase zugeführt werden.

Diese bekannte Ausbildung macht grundsätzlich vom Prinzip der ebenfalls scheibenförmigen Gasdimisionseäektroden Gebrauch. Hierbei stellt sich nur eine schmale Dreiphasen-Reaktionszone ein, wodurch eine relativ schlechte Ausnutzung des Katalysatormaterials erfolgt, so daß trotz großflächiger Elektroden die erzielbaren Stromstärken gering sind. Die vorstehend genannte Zelle hat eine Mehrzahl von speziellen Bauelementen (Stützgerüst, Metallnetze, Elemente für die Bildung der Gaskammern) und benötigt ferner Mittel (Asbestmembränen), iam einen Gaseintritt in das Stützge-. rüst zu verhindern, da dieses nicht gleich selbst gasdicht hergestellt werden kann. Die Herstellung dieser Zelle fet relativ kompliziert und beim Zusammenbau von mehreren Einzelzellen zu einer Brennstoffbatterie ergibt sich eine schwierige Technologie (Korrosionsfragen. Dichtigkeit). Es ergeben sich ferner hohe Hersteilungskosten und ein ungünstiges Leistungsgewicht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungs-Brennstoffelement zu schaffen, dessen Elektroden ein Leistungsgewicht ergeben, das wesentlich höher liegt als bei der vorstehend genannten Pulverelektrode bzw. bei Gasdiffusionselektroden ganz allgemeia Das Element soll aus nur wenigen unkomplizierten Bauteilen bestehen, so daß sich eine einfache Herstellung ergibt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß ein becherförmiger, gas- und elektrolytundurchlässiger Behälter vorgesehen ist der durch einen porösen, gasdichten Separator in zwei Räume für das Elektrodenmaterial unterteilt ist zwei die Elektrodenräune abschließende, das Elektrodenmaterial unter Druck setzende stromleitende Deckel, durch welche je ein in die Pulverschüttung bis in Bodennähe reichendes Elektrolyt- und Gaseinleitungsrohr geführt ist und in jedem eine Bohrung für die Ausbringung des Elektrolyt-Gas-Gemisches und gegebenenfalls des Reaktionswassers vorgesehen ist

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Längsschnitt

F i g. 2 eine Draufsicht auf eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen.

Die Brennstoffzelle nach der F i g. 1 umfaßt einen becherartigen Behälter 1, beispielsweise in Rechteckform, dessen Inneres durch eine poröse Membran 2 in einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 geteilt ist Der Behälter 1 kann aus elektrisch nichtleitendem Material, beispielsweise Keramik, und die Membran 2 beispielsweise aus Polyvinylchlorid bestehen. Die Membran hat hohe Porosität, jedoch kleine Porenradien (etwa 0,5 μ), so daß ein Durchperlen des Gases zur Gegenelektrode verhindert ist In den Anoden- und Kathodenraum 3, 4 des Behälters 1 ist Katalysatorpulver 5, 6 geschüttet, welches durch je einen die Räume 3,4 verschließenden Deckel 7,8 aus Graphit mit etwa 1 bis 10 kp/cm² zusammengepreßt wird Die Deckel 7,8 dienen ferner zur elektrischen Ableitung. In den Deckeln 7, 8 befinden sich je zwei Bohrungen 9,10 und 11,12 mit aus Graphit bestehenden Einleitungsrohren 13, 14 und 15,16 für die Elektrolyt- und Gaszuführung. Durch das Rohr 14 wird beispielsweise Wasserstoffgas und durch das Rohr 16 beispielsweise Sauerstoffgas in das Kätalysätörpulver 5, 6 eingeführt, während durch die

Rohre 13 und 15 der Elektrolyt dem Katalysatorpulver 5, 6 zugeführt wird. Diese Einleitungsrohre reichen bis etwa zum Boden des Behälters 1. Der Gasdruck ist etwa3atü.

Eine dritte Bohrung 17 und 18 in jedem Decke! 7,8 sorgt für dj? Ausbringung des Gas- und Elektrolyt-Gemisches und des Reaktionswassers, welches bei der Reaktion entsteht

Dieser Zellenaufbau ergibt eine intensive Mischung von Gas und Elektrolyt innerhalb der Katalysatorschüttung 5 und 6, wodurch das gesamte Katalysatormaterial sehr gut ausgenutzt wird und nicht nur eine schmale Reaktionszone, wie es bei den in der Beschreibungseinleitung erwähnten Elektroden und den Gasdiffusionselektroden 4er Fall ist Es bildet sich also keine Dreiphasen-Reaktionszone wie bei den genannten Elektroden, sondern eine nreiphasenmischung, die den gesamten Raum der Elektrode erfüllt

Bei der Ausbildung nach der F i g. 2 ist wieder ein Behälter 1 mit einer durchgehenden Membran 2 verwendet, wobei beispielsweise sechs Einzelzellen parallel geschaltet sind.

Um nicht zu große Räume zu erhalten, hat der Behälter 1 eine Anzahl von senkrecht zur Membran 2 stehenden Wänden 19, so daß sich Räume 20 bis 31 ergeben, die den Anoden- und Kathodpnräumen 3, 4 nach der Fi g. 1 entsprechen, fa diese Räume ist wieder das Katalysatorpulver eingebracht, so daß wieder eine intensive Mischung von Elektrolyt und Gas mit dem Katalysatorpulver erfolgt Die Deckel 7,8 sind aus einem Stück bestehende schienenförmige Graphitblöcke, die

ίο in den Behälter 1 eingesetzt sind.

Wie durch die Strichelung angedeutet, können mehrere Einheiten zu einer Batterie zusammengesetzt und elektrisch in Reihe geschaltet werden. Die Einheiten sind über Elektrolyteinlässe 40,41 von einem nicht weiter dargestellten Elektrolyt-Hauptkanal versorgt Für das Elektrolyt-Gas-Gemisch sind getrennte Auslässe 42, 43 vorgesehen, wobei nach dem Austritt das Gas vom Elektrolyten getrennt wird. Die Gase können dann wieder über Gaseinlässe 44, 45 neu zugeführt werden und ebenso der Elektrolyt über die Einlasse 40, 41.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   *;-"* L Brennstoffelement für die Umsetzung von Ga-¹ sen mit aus katalytisch aktivem Pulvermaterial bestehenden Elektroden, wobei sich das Elektrodenmaterial in einem Behälter befindet und sowohl vom Elektrolyten als auch vom Gas durchsetzt ist, gekennzeichnet durch einen becherförmigen, gas- und elektrolytundurchlässigen Behälter (1), der durch einen porösen, gasdichten Separator (2) in zwei Räume (3,4) für das Elektrodenmaterial (5, 6) unterteilt ist, zwei die Eleldrodenräume (3,4) ab-.-schließende, das Elektrodenmaterial unter Druck setzende stromleitende Deckel (7, 8), durch welche je ein in die Pulverschüttung bis in Bodennähe reichendes Elektrolyt- und Gaseinleitungsrohr (13,14, 15, 16) geführt ist und in jedem eine Bohrung (17, 18) für die Ausbringung des Elektrolyt-Gas-Gemisches und gegebenenfalls des Reaktionswassers vorgesehen ist
2. 2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Behälter (1) durch senkrecht zum Separator (2) stehende Wände (19) eine Mehrzahl von benachbarten, mit Elektrodenmaterial gefüllten Räumen (20 bis 31) geschaffen ist und daß die Räume gleicher Elektroden (20,22.24,26.28,30 bzw. 21, 23, 25, 27, 29, 31) von einem einstückigen Deckel (7 bzw. 8) verschlossen sind.

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