DE2238643A1 - Elektrochemische brennstoffzelle - Google Patents
Elektrochemische brennstoffzelleInfo
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Description
AIRCRAFT ßOSPOBATIOJT
400 Bain Street
East Hartforä
Connecticut
TJSJl
400 Bain Street
East Hartforä
Connecticut
TJSJl
Elektrochemische Brennstoffzelle,
Priorität: USA ITr. 172.655
Patentanmeldung vom 18. August 1971
Patentanmeldung vom 18. August 1971
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verbesserte elektrochemische
Brennstoffzellen mit einer Anode, einer Kathode, und einem Elektrolyten in Verbindung mit einer Träger- und/oder
Kühlplatte. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine
elektrochemische Brennstoffzelle mit einer billigen, leichten Träger- oder Kühlplatte aus einer Polymer/Metallverbindung wie
z.B. Polysulfon/Kickel. Nachfolgend wird die Erfindung mit
Bezug auf eine Brennstoffzelle für die direkte Erzeugung von Elektrizität mit zwei nicht verbrennbaren Elektroden beschrieben.
Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf andere elektrochemische Vorrichtungen angewandt werden.
Der Ausdruck Brennstoffzelle bezeichnet eine elektrochemische
Zelle für die direkte Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoff und einem Oxydationsmittel. Mit diesen Zellen
ist es nicht erforderlich die übliche Konversion von chemischer Energie in Wärme, in mechanische Energie, in elektrische
Energie vorzunehmen wie es in den Uärmeiaaschineii der Fall ist.
Die Brennstoffzellen umfassen, in der einfachsten Ausführung, ein Gehäuse, eine Oxydationsmittelelektrode, eine Brennsfcoffelektrode,
einen Elektrolyten und Mittel zum Zuführen des
J0900Ö/OÜÜ5
BAD ORIGINAL
Brennstoffes und des Oxydationsmittels zu den respektiven Elektroden. Während dem Betrieb müssen Brennstoff und Oxydationsmittel
auf die Oberfläche der respektiven Elektroden geleitet werden wo ein Adsorptions- und Desorptionsprozess stattfindet
und die Elektroden elektrisch geladen werden, wobei die zweiten Oberflächen der Elektroden mit dem Elektrolyten in Kontakt
stehen.
In Abhängigkeit von der Natur des Elektrolyten wandern Ionen durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode oder von der
Kathode zur Anode. Elektrischer Strom wird aus der Zelle entnommen
und zu einem Verbraucher geleitet.
Ein Problem das sich bei der Anwendung von Brennstoffzellen
stellt ist die Verwendung der Nebenprodukte der Reaktion der Zelle. Falls Wasserstoff der Brennstoff und Sauerstoff das
Oxydationsmittel sind ist das Nebenprodukt V/asser. Ein weiteres Problem in solchen Zellen stellt die Wärme dar, d.h. wenn die
Zelle in Betrieb genommen wird muss sie aufgeheizt v/erden und während dem Betrieb der Zelle muss die Wärme geregelt und
eventuell abgeführt werden. So v/erden also Träger- und/oder Kühlplatten hergestellt und so in die Zellen eingebaut, dass
sie zur Entfernung der Nabenprodukte (Wasser), der Verteilung
der Reaktionsgase und zur Abführung und Zuführung von Wärme aus oder in die Zelle oder eine Batterie von Zellen gebraucht
werden können. Diese Platten müssen leicht sein, eine gute thermische Leitfähigkeit, einen niedrigen elektrischen Widerstand,
eine niedrige thermische Ausdehnung, niedrige Schrumpfung und allgemein gute strukturelle Stabilität aufweisen. Es ist
klar, dass, obschon Kunststoff platten vorgeschlagen wurden, diese den obigen Ansprüchen nicht ganz genügen können da sie
eine niedrige thermische Leitfähigkeit und einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Metallplatten sind gleicherweise
nicht geeignet da sie teuer sind und leicÄt korrodiert
werden.
En ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung Träger- und/
oder Kühlplatten zum Gebrauch in elektrochemischen Zellen horzuisteilen welche billig und leicht sind unldie notwendigsten
309808/0895
Eigenschaften wie gute thermische Leitfähigkeit, gute
strukturelle Stabilität, niedriger elektrischer Widerstand und niedrige thermische Ausdehnung aufweisen.
X» TTrrcx-ciiiotiid'irfip iTit ο.«ϊ' !«■'»rllegenden Erfindung wird eine
Brennstoffselle hergestellt welche eine Träger- oder Kühlplatte hergestellt aUB einer Kunststoff/Metallverbundstruktur wie z.B."
Polysulfon/ltfiokel in Verbindung mit den üblichen bekannten
Elementen der Zelle enthält* Biese Kunst stoff/Hetailverbundstrukturen
werden in verschiedenen Formeji und Ausführungen hergestellt um sie als träger oder als Kühlplatten in Brennstoffzellen
verwenden zu können wobei solche träger oder Kühlplatten
leicht und relativ billig sind« Desweiteren können solche Kunststoff/Metallverbundstrukturen mit einer thermischen
und elektrischen Leitfähigkeit hergestellt werden welche der .Leitfähigkeit von Metall entspricht wobei diese Verbundstrukturen
jedoch der Korrosion grösseren Widerstand entgegensetzen als die
Metallstrukturen. Desweiteren haben die Verbundstrukturen eine niedrige thermische Ausdehnung und eine gute Druckfestigkeit auch
können sie leicht mit den aus der KunststoffverfTormung bekannten
Verfahren hergestellt werden, wobei nur eine leichte Formschrumpfung
erhalten wird. Die Kunststoff/Metallverbundstrukturen
sind billiger als leichte Metallstrukturen, wie z.B. Magnesium, welche normalerweise gebraucht werden um die gewünschten
Eigenschaften der Platten au gewährleisten. _ ' - ■ ,
Der Kunstßtoffteil der Kunststoff/Metallverbundstruktur muss
verformbar sein, d.h. er muss thermoplastisch sein, gute thermische Eigenschaften, gute Biege-, Druck- und Zugfestigkeiten
sowie hohe Härte aufweisen. Kunststoffe welche diese Eigenschaft
en ,erfüll en sind Polysulfone, Polyphenylensulfide,
Polyphenylenoxyde, Acrylonitril-Butadien-Styrolmischpolymerisate,
Butadiene, Polyaryläther und Polypropylene. Polysulfonharze
der folgenden allgemeinen Formel werden auf dem Markt
gehandelt:
30980870896 .
wobei η einen Wert zwischen 25 bis 80 aufweist. Die hervor-·
stehende Eigenschaft cLg Kunststoffes ist die Diphonylensulfongruppe,
Polysulfonharze werden unter dem Markemiamen
"BAl'ßUTE POLYSULFONE" der Union Garbide Corporation gehandelt.
Polyphenyl ensulfidharsro sind unter dem Markennamcm "L1YTON" der
Phillips Petroleum Company erhältlich. Polyaryläther werden unter dem Harkennamon "ARYIjON T" von der Uniroyal Company
verkauft. Polyphenylenoxide, Polypropylene, Polybutadiene und
Acrylonitril-Batadieii'-ötyrolmischpolymericate sind unter den
verschiedenstC-1I Handelnnamen erhältlich.
Ein Metall das in den Kunst stoff/Verbund struktur en gebraucht
werden kann ist Nickel. Andere Metalle können jedoch auch gebraucht
werden, wie z.B. rostfreier Stahl, Silber und Gold die gute thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisen und dabei
relativ billig sind. Die Metallmenge in der Kunststoff/Metall·- verbnndstruktur bewegt eich zwischen 50 bis 80 Gevj.%, der liest
der Verbundstruktur besteht aus Kunststoff. Es wurde gefunden, dass unterhalb etwa 50 Gew.% Metall die nötige elektrische
Leitfähigkeit nicht erhalten wird. In Mengen oberhalb 80 Gew.% Metall sind die Vorteile die durch Gebrauch von Kunststoff
erhalten werden minimal. Es wurde zum Beispiel gefunden, dass der elektrische Widerstand einer Polysulfon/lTickelverbundstruktur
mit 80 Gew.% Nickel 0,00025 Olim cm ausmacht. Bei
65 Gew.% Nickel steigt der Widerstand auf 0,0005 Ohm cm.
Bei 50 Gew.% Nickel beträgt der Widerstand 0,00OJ Ohm cm.
Bei 40 Gew.% Nickel steigt der Widerstand noch weiter an und
nähert sich 0,01 Olim cdi. Somit nimmt der elektrische Widerstand
unterhalb 50 Gcw.% Nickel stark zu und die Leitfälligkeit der
Träger- und Kühlplatten nimmt somit stark ab.
Die Kunststoff/Iletallvcrbundstrukturen werden durch Vermischen
des Kunststoffes und der Metallpartikel in den gewünschten Verhältnissen, und Verformung der Mischimg durch bekannte Verformungsverfahren
erhalten. Mit den oben erwähnten Gewichtsverhältnissen werden sehr gute dünne Platten mit hoher struktureller
Integrität und gror.r.er Festigkeit erhalten.
Nachfolgend wird die Erfindung und die sich daraus ergebenden
3098Q8/U89S bad original
Vorteile noch, näher mit Bezug auf die beiliegende Figur,
welche einen Querschnitt durch eine Brennstoffzellenbatterie
mit Kühlplatte!! der vorliegenden Erfindung darstellt, näher
erläutert. , ,
Gemäss der Figur umfasst die Brennstoffzellenbatterie vorzugsweise
12 odei* mehr Einzelteilen, wobei nur 2 in der Figur gezeigt
sind, in Verbindung mit einer Feuchtigkeitsaustausch/ Auswaschvorrichtung welche normalerweise gebraucht wird um das
Oxydationsmittel der Zelle zu konditionieren. Jede Brennstoffzelle umfasst eine Anode 20, eine Kathode 30 und einen Elektrolyten
in einer Elektrolytmatrize 40. In der gezeigten Zelle bestanden die Elektroden 20 und 30 aus leichten Gitter el elcb.ro den
aus einem leitfähigen Hickelgitter in einer gleichmässigen
Mischung aus katalytischem Metall, in diesem Fall Platin, und
Polytetrafluoroäthylenpartikeln. Bas Verhältnis Kunststoff zu
Tetrafluoroäthylen auf Volumenbasis betrug 3*«7j wob".ei- die
■ 2 '
Platiiibeladung der Elektrode 15 mg/cm ausmachte. Die Elektroden
haben ungefähr eine Dicke von 254yi' . Die Elektrolytmatrize 40
besteht aus gepresstem Asbest und-hat ungefähr eine Dicke von
635/1 · Eine Brennstoff kammer 21 befindet sich: neben der Anode
und eine Oxydatiüiismittelkammer 31 neben der Kathode, Eine
V/ärmeaustaüschkammer 5° trennt die Oxydationsmittel und Brenn-Stoffkammern
von Nachbarzellen. Eine Feuchtigkeitsaustausch/ Auswaschvorrichtung 60 genügt für die ganze Batterie und umfasst
eine Einlassöffnung 61 durch welche Luft in die Kammer 62 gelangt.
Die Feuchtigkeitsaustausch/Auswaschvorrichtung umfasst
Mittel zur Entfernung von CO- und"Mittel-zur Befeuchtung der
Luft weiche durch die Vorrichtung geleitet wird. Solche Vorrichtungen
sind in dem US Patent 3 4-11 951 beschrieben. Nach der
Reinigung und Befeuchtung der Luft gelang diese durch die
Auslassöffnung 63 in das Verteilersystem 70 von wo es in die
verschiedenen Oxydationsmittelkammern der Zellen der Batterie geleitet wird. Nach dem Durchqueren der Zelle wird diese Luft
in die Kammer 68 der Feuchtigkeitsaustausch/Auswaschvorrichtung geleitet und verlässt diese durch die Auslassöffnung 69.1EIn
Kühlmittel wie z.B. Aethylenglykol wird ständig durch ein
Verteiiersystom 80, eine Wärmeaustauschkammer 50 .und Kammer 81 ,
der Feuchtigkeitsaustausch/Auswaschvorrichtung zirkuliert.
.309808/0895
BAD ORIGINAL
Die Kühlplabten welche eine Wellenform aufweisen bestehen .
aus Polyculfon/Niclrel mit 70% Nickel und ^>0% Polymer wie oben
beschrieben. Die Kühlplatten können in der welligen Form oder
aber in anderen Formen leicht hergestellt werden. Durch di,e gute thermische Leitfähigkeit und die hohe elektrische Leitfähigkeit der Kühlplatten können die Zellen bei konstanten
Betriebstemperaturen gehalten werden wobei die Kühlmittelumwälzung
mit' einer relativ niedrigen Geschwindigkeit erfolgen kann. Die Zelle arbeitet bei konstanter Stromentnahme mit
konstanter Leistung wobei nur geringe Schwankungen in den Stromeigennchaften der Zellen auftreten.
Obschon die vorliegende Erfindung mit Bezug auf leichte
Elektroden und einen Elektrolyten in einer Matrize in Verbindung mit den verbesserten Kühlplatten beschrieben worden ist, so ist
es doch möglich die Kühlplatten auch in Verbindung mit anderen Elektroden, wie z.B. den Elektroden des US Patentes 2.716.670,
und umgewälztem Elektrolyten zu gebrauchen.
309808/Ü89B
Claims (6)
1. ■ Elektrochemische Brennstoffzelle bestellend.-aus einer
Anode, einer Kathode-und einem zirkulierenden respelttiv einem ■
in einer -Matrize ■enthaltenem Elekti'olyten in Verbindung mit ■
dnem Träger- oder' ein.öi>
Kühlplatte, dadurch gekennzeichnet,' ■
dass die Träger-:oder Kühlplatte aus einer Kunststoff/Metal l·^·-" ■■-"
verbund struktur besteht. ; . — ... . ..
2. ■ Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Kunst st off/Iietallverbundstruktur
Polyßulfon ist. ' ■ ' " '■
3. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Kunststoff/ I-letallverbundstruktUr Polypheiiylensulfid ist.
4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Kunststoff/Metallerbund
struktur Po l;^henyleno>ryd ist.
5· Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1,. dadurch
gekennzeiclinet, dass der Kunststoff der Kunst stoff/Metallverbundstruktur
ein. Mischpolymerisat aus Acrylonitril-Butadien-Styrol ist.
6. . ■ Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn ζ ej.chnet, dass der Kunststoff der Kunst stoff /Metallverbund
struktur. Polyaryläther ist. .
7· Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff/Metallverbundstruktur aus
. Polysulfon/Hickel besteht._
0»Η.ΐΗ/ϋ8 9ΐ BAD ORIGINAL
eerseite
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