DE2210673A1 - Verbesserte Brennstoffzelle mit Elektrolytzirkulation und Elektrolytmatrize - Google Patents

Description

Patentanwalt Bernd Becker

8530 Bingen-Sponsheim

UIiITED AIRCRAF* COKFOMlON **"*"*'

Main Street

Ea et Hartford 2210673

Connecticat 06108
USA.

VERBESSERTE BRENNSTOFFZELLE MI¹L'
ELERTROLYTNATIiIZE.

Priorität: USA Nr. 124.863
Patentanmeldung vom 16. Mars 1971

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Brennstoffzellen und im besonderen auf verbesserbe elektrochemische Brennstoffzellen in welchen sich der Elektrolyt in einer zwischen den Elektroden liegenden Matrize befindet wobei die Vorteile einer Elektrolytzirkulation, mit den Vorteilen der Elektrolytmatrize kombiniert sind. In der vorliegenden Beschreibung wird die Erfindung als Brennstoffzelle für die direkte Erzeugung von Strom mit zwei nicht verbrennbaren Elektroden beschrieben. Dem Fachmann wird ersichtlich werden dass die Erfindung auch mit Bezug auf andere elektrochemische Zellen angewandt werden kann.

Der Ausdruck Brennstoffzelle? beschreibt eine elektrochemische Zelle für die direkte Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoff und einem Oxydaticnciüi-cbel. Bai solchen Zellen ist es nicht nöbig die normale Konversion von chemischer Energie in Wärire, in mechanische Energie welche alsdann i.n elektrische Energie umgewandelt wird vorKimelmen« kreimsboff zellen urnfansen ein Gehüuüe, eine Oxydationsait'telelöktrode, eine Brennstoff« elektrodü und einen Elektrolyt.en. Während dem Betrieb musfj der Brennstoff un>3 (vir.j O^ydabionsndttGl die Oberfläche der tivt-n Et οχ-ij.rodftii an welchen *; Ln AcIr₁OPpL-IOiIi.!- und ein zor;« ntatl;findefc und die Elekbroden elßktrisch

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v/erden umspülen; die entgegengesetzte Oberfläche der Elektroden muss mit den Elektrolyten in Berührung stehen. Abhängig von der ; Natur des Elektrolyten wandern Ionen durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode oder von der Kathode zur Anode. Elektrischer Strom wird von der Zelle erhalten und zu einer Maschine oder einem anderen elektrischen Apparat geführt.

Der Elektrolyt einer Brennstoffzelle kann ein Peststoff, eine geschmolzene Paste, eine freifliessende zirkulierte Flüssigkeit oder eine in einer hydrophilen Matrize enthaltene Flüssigkeit sein. Vom Standpunkt der Formgebung und der Kompaktheit von einem niedrigen Spannungsabfall in der Zelle, sowie vom Standpunkt der Anwendung von leichten Elektroden welche nicht selbsttragend sind, werden Zellen in welchen der flüssige Elektrolyt in einer dünnen hydrophilen Matrize enthalten ist bevorzugt. Diese Brennstoffzellen haben jedoch den Nachteil dass das Elektrolytvolumen in der Matrize nicht konstant bläbt da während dem Zellenbetrieb Wasser durch die Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff gebildet wird oder ein Elektrolytverlust durch Ueberhitzen der Zelle oder Benutzung von trockenen Reaktivstoffen, i.e. welche nicht während dem Zellenbetrieb angefeucht werden, auftritt. Falls das Elektrolytvolumen vergrössert wird, gelangt der Elektrolyt durch Kapillarkraft in die Elektroden der Zelle und die Elektroden werden überflutet. Falls aber das Elektrolytvolumen abnimmt, wird die Grenzschicht Elektrolytmatrize-Elektrode austrocknen. Ein sdfches Ueberfiuten und/oder Austrocknen erniedrigt jedoch die elektrochemische Leistung der Zelle. Desweiteren weisen die Brennstoffzellensysteme in welchem der Elektrolyt zirkuliert wird verschiedene Vorteile mit Bezug auf die Elektrolytsysteme mit Matrize auf.

Der Hauptvorteil besteht darin, dass das Elektrolytvolumen nicht auf ein bestimmtes Volumen beschränkt ist und die Volumenschwankungen in der Zelle nus einem äusseren Reservebehälter ausgeglichen werden können. Desweiteren kann der zirkulierte Elektrolyt als Kühl-mittel benutzt werden um Zellenwärme abzuführen sodass ein Kühlsystem überflür.sig iat. Auch int es nicht; nötig beim Bebrieb solcher Zellen die Luft zu reinigen da ein Elektrolytregenerator hinter die Zelle geschaltob werden kann uu

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Kohlendioxyd und andere Verschmutzungen auf dem Elektrolyt zu entfernen bevor dieser der Zelle wieder augeführt wird. Aus all diesem geht hervor, dass eine Brennstoffzelle welche die Vorteile der Elektrolytmatrize sowie der Elektrolytzirkulation vereinigt von grosser Bedeutung ist.

Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle mit Elektrolytmatrize zu beschreiben welche die vorteilhaften Eigenschaften einer Elektrolytzirkulation mit den Eigenschaften einer Elektrolytmatrize verbindet.

Gemöss der vorliegenden Erfindung wird eine Zelle beschrieben in welcher überschüssige Elektrolytflüssigkeit aus der Zelle entfernt werden kann ohne dass die Elektroden überflutet v/erden. Auch ist es mit der beschriebenen Zelle möglich eventuelle Elektrolytverluste auszugleichen und ein Austrocknen der Grenzschicht Matrize/Elektrode zu vermeiden. Dies wird durch eine Brennstoffzelle erreicht welche einen Elektrolytreservebehälter umfasst um eventuelle Eielctrolytvolumenschwankungen in der Zelle auszugleichen. Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung noch weiter erläutert.

In Uebereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst die Brennstoffzelle eine Matrize sowie eine poröse Platte mit einer Anzahl von porösen Zapfen oder VorSprüngen welche hinter der Anode oder Kathode angebracht wird. Die poröse Platte steht über die porösen Zapfen oder Vorsprünge mit der Elektrode in Verbindung. Elektrolyt zirkuliert durch die poröse Platte und. die Vorsprünge in die Elektrode und durch die Elektrode in die Elektrolytmatrize. Viele kleine Eontaktpunkte sind somit gleichmassig über die ganze Oberfläche der Elektrode verteilt wodurch eine Verbindung zwischen einem Elektrolytvolumen welches hinter der porösen Platte zirkuliert und dem Elektrolyt welcher in der Matrize enthalten ist geschaffen wird. Hierdurch bleibt das Elektrolytvolumen der Zellenmatrize immer konstant und somit können Schwankungen in der Zellenleistung welche bei variablem Elektrolytvolumen auftreten vermieden werden. Desweiteren, da der Elektrolyt in der Matrize kontinuierlich zirkuliert,stellt die Jilektrolytvolumcnvorgrösserong durch Produktvias£3er wählend

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dem Zellenbetrieb kein Problem dar auch wird ein Austrocknen j , der Zelle vermieden. Desweiteren kann die Betriebstemperatur der Zelle durch die Elektrolytzirkulation kontrolliert werden ohne dass ein weiteres Kühlsystem nötig ist. Auch kann ungesäuberte Luft als Oxydationsmittel benutzt werden wenn ein Regenerator hinter die Zelle geschaltet wird in welchem das Kohlendioxyd und andere Verschmutzungen welche aus der. Luft in den Elektrolyt übergehen kontinuierlich entfernt werden. Die vorliegende Erfindung beschreibt also eine Brennstoffzelle in welcher die Vorteile der Elektrolytmatrizezelle und die der Zellen mit Elektrolytzirkulation verbunden sind.

Die Zeichnung stellt einen Querschnitt einer einzelnen Zelle * der vorliegenden Erfindung dar. '.

Gemäss der Zeichnung umfasst die Brennstoffzelle 10 eine Anode 5 und eine Kathode 7 welche durch eine Elektrolytmatrize 6 getrennt sind. In der gezeigten Zelle bestehen die Elektroden 5 und 7 aus leichten Gewebeelektroden aus einem leitfähigen Nickelgewebe welches in einer Mischung aus katalytischem Metall in diesem Fall Platin und Polytetrafluoroäthylenpartikeln liegt. . Das Volumenverhältnis von Platin zu Polytetrafluorethylen beträgt 3=7» und die Platinladung auf der Elektrode beträgt 15 mg/cm . Die Elektroden haben annähernd eine Dicke von 254- · Die Elektrolytmatrize besteht aus gEpresstem Asbest und hat eine Dicke von ungefähr 635 · Eine poröse Platte 20 mit einer Anzahl poröser Vorsprünge 22 steht mit der Anode durch die porösen Vorsprünge 22 in Verbindung. Vorzugsweise besteht die poröse Platte aus Nickel mit einer gesamten Porosität von ungefähr 80%. Die zvjeite Oberfläche der porösen Platte steht mit der Druckplatte 30 in Verbindung. Die poröse Platte 20 und die Druckplatte 30 bilden eine Kammer 6a durch welche Elektrolyt zirkuliert wird. Eine kombinierte Druck- und Stützplatte 32 befindet sich hinter der Kathode 7, wobei die Kathode und die Stützplatte eine Oxydationsmittelkammer 7a bilden. Eine Brennstoffkammer 5a befindet sich zwischen der porösen Metallplatte 20 und der Anode 5· Die Zelle wird d\irch Gewindebolzen 58 an jedem Ende der ZuIIe zusammengehalten. 1·

I · Während dem Betrieb wird eine 30%ige wässrige Kaliumhydroxy- \

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elektrolytlösung in die ElektroIyi^:?jn.üi*r 6a ciurcli die isi Öffnung 6b gepujspt woboi die p&??öse- He-fe,21?:.ci^e 20 iibo wird. Elektrolyt fliesst durcli die porösen Vorsprüngo 22 in die Elektrolytmatrize 6. Wahrend cteii: '£\xlX';:ji -le:: Seile wird die ElektrolytauslaGSüffnun^ 6c- ge^c:„lc i^a. Ww:ai \lio Katrine mit Elektrolyt gesattigt ISt₁ yas α.ι·;:ο1ι ein I'eusiiei^ weloriss nicht" gezeigt ist, festgestellt werden darm* vrf,rd die AiiEiasooffinrir; 6c geöffnet und Elektrolyt wird I;oi.tdi,ai&rlicli "/iaiiXe^u. Hem. Betrieb der Zelle durch die Elektrolyt kammer So sirlmllsrt* Dürft];. die Elektrolyt zirkulation wird das SlehteOlyi-Yoliimen in eier Matrize konstant gehalten, Ein reaktives G?u> ±n dieses Fall Wasserstoff, wird der Anode 5 durch die Einl^cäffmmg· $ΐ> zxlqoführt, und der GasübersctiU8S t/ird durch, die iaiei&ssöifruing ^g ■ entfernt. Ein Oxydationsmittel, in diesen l^?all, Luft, -vvirci dei^v Kathode 7 durch, die Einlassöffnung 7b zugöfüiirt und der lieberschuss an Luft und die Verunreinigungen v/erden, durch die Auslassöffnung 7c entfernt, falls die Zelle mit kojig-bantex* Stroir.-belastung betrieben wird so tidrd auch eine konstante Zsllenleistungsabgabe erhalten. Da dan Elekurolytvolumea durch die Zirkulation nur leicht schwankt" v/crden auch nur kleine Schwankungen in den Stromeigenschaften erhalte::!*

Obschon die vorliegende Erfindung mit BöKiig auf leichte Elektroden aus einem lletalltraggewebe in einer katalytischeu Mischung von Iletall und einem hydrophoben plastischen Bindemittel beschrieben worden sind, können auch andere Elektroden verwandt werden, so z.B. die nicht poröaon Pallaäiuin/Siiberlegierungsstrukturen welche in dem US Patent; 3 ^C92 5i? beschrieben sind. Unter diesen Umständen muss die Zeile mit einem Wasserstoff enthaltenen Brennstoff betrieben 'werden, Bereiteren können die Elektroden welche in der US Patcn.tsoh.riit iVe, 2 716 670 "bGsohr-ie· ben sind angev/andt werden., übsciv:r_t diecfcui: beschriebene Kabri^e aus Asbest bestand, können auch -•.rr.T-iee h^urc-pliile I1aferl.?en wie Keramikmetalle und KunobstoiTe benutat vjoi'den. . Aussei? aus Nickel kann die poröse Stütaplat.\:o auch ana irgendeinsm hydrophilen Haterial hergestellt werden., wie s.ß« ans -porösem Kupfer, Tanfcc.l, Eiiien und d^l», oder au f.: eim-ra hydrophilen EunnfcöboXf wobei darauf ζ,α achten ist, dann clei¹ K\!.i??.L.^off afcarl-r. gomik int um der !'labte und den Vü-rsprüi:_;>?i aio nükl^e iibviüz'our-ellc: lute-

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grität zu verleihen. Vom Standpunkt der besonderen Eigenschaften und dem Widerstand gegen ate Korrosion ist Mckel vorzuziehen. /₍ Die Porosität der Platte kann in weiten Grenzen schwanken'muss J aber gross genug sein um Wasser durch Kapillarkraft zu adsorbieren. Vorzugsweise hat die Platte eins Porosität zwischen ungefähr 35 und 90%· Die Betriebstemperatur der Zelle kann in weitem Grenzen schwanken darf aber nicht die kritische Temperatur der Elektroden und/oder der Elektrolytmatrize erreichen. Vorzugsweise bewegt sich die Betriebstemperatur der beschriebenen Brennstoffzellen zwischen ungefähr 20 und 175°G. Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Kaliumhydroxydelektrolyt können auch andere allgemein gebrauchte wässrige Elektrolyten wie wässrigen Lösungen von Alkalihydroxyden, Erdalkalihydroxyden und Carbonaten angewandt werden, sowie auch starke saure Electrolyte wie/Salzsäure, Schwefelsäure und Phosphorsäure. Allgemein gebrauchte Reagenzien können zusätzlich zu Wasserstoff und Sauerstoff in den Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung verwandt werden. Es ist dem Fachmann klar, dass die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Erfindung in allen bekannten Brennstoffzellen mit Elektrolytmatrize angewandt werden kann.

Es ist klar, dass, obschon die Erfindung mit Bezug auf eine Einzelbrennstoffzelle beschrieben worden ist auch ein mehrere verschiedene Zellen umfassendes Brennstoffaellensystem verwandt werden kann wie dies in der Technik bekannt ist. Beim Zusammensetzen eines Brennstoffzellensyutemes mit mehreren Einzelzellen ist es vorteilhaft die Zellen so anzuordnen dass eine einzige Elektrolytkammer in Verbindung r.-..it den porösen Platten von zwei Zellen steht. Eine Regeneratoreinheit welche in Zusammenhang mit der beschriebenen Brennstoffzelle oder aber einem Brenn-·· Stoffzeilensystem angewandt werden kann ist zum Beispiel in der US Patentschrift 5 331 70'f> beschrieben.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Ί J . Brcnnstoffzellensysteiü mit einer Anode und einer Kathode und einer Elektrolytmatrize zwischen besagten Elektroden gekennzeichnet durch eine poröse Platte mit einer Anzahl Vorsprünge welche hinter einer der Elektroden angebracht ist und durch besagte Vorsprünge mit der Elektrode in Verbindung steht wobei sich hinter der porösen Platte eine Elektrolytkammer befindet, und wobei die Elektrolytmatrize und die Elektrolytkaminer welche flüssigen Elektrolyt enthalten durch die poröse Platte die Elektrode und durch die Vorspränge welche die Elektrode berühren in Verbindung stehen.
2. 2. Brennstoffzelle nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Platte aus porösem Nickel mit einer Porosität zwischen ungefähr 55 und 80% besteht.
3. 3. Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Vorsprünge der porösen Platte Zapfen sind.
4. 4-, Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ats leichten Gewebeelektroden bestehen welches in einer Katalysatormischung aus Elektroiatalysator und einem hydrophoben Polymerbindemittel liegt.
5. 5· Brennstoffzelle nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Bindemittel Polytetrafluoroäthylen ist.
6. 6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine wässrige Alkalihydroxydlösung ist.

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