DE2416520B2

DE2416520B2 - Elektrolytträger für mit Gasen betriebene Brennstoffelemente

Info

Publication number: DE2416520B2
Application number: DE2416520A
Authority: DE
Inventors: Larry E. Espelien; Alfred Dwayne Nelson
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1973-04-04
Filing date: 1974-04-03
Publication date: 1978-07-20
Also published as: GB1435420A; DE2416520A1; CA1002588A; JPS49129840A

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolytträger für mit Gasen betriebene Brennstoffelemente, der aus Fasern eines organischen Polymeren besteht.

Derartige Elektrolytträger sind aus der DE-OS

21 55 282 bekanntgeworden. Dabei handelt es sich um eine phenolische Fasermembran der Art, wie sie in der US-PS 35 63 802 beschrieben ist. Diese phenolischen Fasermembranen eignen sich nicht als Elektrolytträger für Brennstoffzellen, da sie bereits nach kurzer Zeit der Einwirkung von Säure einen merklichen Gewichtsverlust aufweisen.

Es ist ferner bekannt, Polysulfonharze als Binder für Asbestfasern bzw. für metallische Pulver in Brennstoffzellen zu verwenden (DE-AS 15 96 241, DE-OS

22 38 643).

Schließlich sind gasundurchlässige Membranen aus Polyarylsulfonen zur Verwendung in Brennstoffzellen aus der US-PS 36 32 404 bekanntgeworden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Elektrolytträger der eingangs genannten Art zu schaffen, der gegenüber wasserhaltigen Elektrolyten bei Betriebstemperaturen verhältnismäßig inert ist und der von dem Elektrolyten leicht benetzt wird, wodurch eine wirksame Barriere gegen Blasenbildung geschaffen wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Elektrolytträger aus einem selbsttragenden zusammenpreßbaren Wirrfaservlies mit Mikrofasern eines ein großes Molekulargewicht aufweisenden thermoplastischen Polyarylsulfonätherpolymurs besteht.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Zwischenraum zwischen den Elektroden der Brennstoffzelle, in dem der Elektrolytträger sitzt, extrem schnell sein kann, weil der erfindungsgemäße Elektrolytträger ein Wandern der Blasen des reduzierenden bzw. des oxidierenden Gases durch den Elektrolytträger hindurch verhindert.

Der poröse, leitende Elektrolytträger ist sowohl physikalisch als auch chemisch stabil. Da er iondurchlässig ist, wird auch für eine hohe Beweglichkeit der Patronen in der Brennstoffzelle gesorgt.

Die hervorragende Fähigkeit des Elektrolytträgers gemäß der Erfindung, einen Elektrolyten festzuhalten, ermöglicht die Lösung eines der schwierigsten Probleme, die bei Verwendung sehr dünner Elektroden der Größenanordnung von 0,25 mm auftreten. Selbst wenn solche extrem dünnen Elektroden sehr flüssigkeitsabstoßend sind, lassen sich Leckverluste des Elektrolyten durch die Elektrode in den Gassammeiraum über lange Betriebsperioden nicht ganz vermeiden. Diese Schwierigkeit wird ausgeschaltet, wenn der Elektrolytträger zwischen den dünnen Elektroden angeordnet wird, wobei jeglicher hydrostatischer Druck auf die Elektroden ausgeschaltet wird. Dies fahrt auch bei Brennstoff-

!0 zellen zu beträchtlich längeren Lebensdauern als bisher.

Der poröse Elektrolytträger nach der Erfindung

ermöglicht den Betrieb von Brennstoffzellen, bei Temperaturen im Bereich von 135° C bis 245° C oder höher, im Gegensatz zu Betriebstemperaturen von etwa 107⁰C bei herkömmlichen Brennstoffzellen. Bei höheren Betriebstemperaturen, die mit erfindungsgemäßen Elektrolytträgern möglich sind, ist weniger Katalysatorsubstanz für eine kontinuierliche elektrochemische Reaktion erforderlich, da der Katalysator bei solchen Temperaturen effektiver und weniger anfällig gegen Vergiftungseffekte von Verunreinigungen wie Kohlenmonoxid ist, das leichter von der Elektrodenoberfläche vertrieben werden kann, was eine aktivere Katalysator-Oberfläche 3js bei bekannten, mit geringeren Temperatüren arbeitenden Zellen zur Folge.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung anhand der einzigen Figur der Zeichnung, die eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle im Schnitt zeigt.

Die Brennstoffzelle besitzt einen Behälter 10, im Abstand zueinander angeordnete poröse Elektroden 11 und 12 mit einander gegenüberliegenden Flächen, zwei poröse, leitende Stromabnehmerplatten 16 und 18, die jeweils mit den Elektroden im Eingriff stehen, und einen porösen, gasundurchlässigen, ionendurchlässigen und leitenden Elektrolytträger 13, der sich zwischen den Elektroden 11 und 12 befindet und sie berührt. Bei der dargestellten besonderen Ausführungsform weisen die beiden Elektroden 11 und 12, die beiden leitenden Stromabnehmerplatten 16 und 18 und der Elektrolytträger 13 jeweils die Form ebener Platten auf. Es sind jedoch andere geometrische Ausführungsformen verwendbar. Der Behälter aus Kunststoff 10 bildet in Verbindung mit den Stromabnehmerplatten 16 und 18 Gaskammern 19 und 20. Der Behälter 10 weist öffnungen 21 auf, um ein Strömen des Gases durch die Kammern 19 und 20 zu ermöglichen.

Ein Hohlraum 14 zur Aufnahme des Elektrolyten 15, der von dem Elektrolytträger 13 aufgesogen wird, ist am unteren Ende des Elektrolytträgers vorgesehen. Der Elektrolytträger 13 sollte ausreichend lang ausgebildet sein, um nach unten in den Hohlraum 14 zu ragen, so daß er stets mit dem im Hohlraum befindlichen flüssigen Elektrolyten 15 in Berührung steht.

Der Elektrolytträger muß einen Kapillaraufbau aufweisen, der ionendurchlässig und gasundurchlässig ist. Der Kapillaraufbau ist für die Kapillarkräfte wesentlich damit sich der Elektrolyt im ganzen Elektrolytträger 13 verteilt. Die Durchlässigkeit kann anhand des Drucks bestimmt werden, der erforderlich ist, um den Elektrolyten aus dem Elektrolytträger zu verdrängen. Dabei wird ein rundes Stück des Materials mit einem Elektrolyten imprägniert und der Stickstoffgasdruck gemessen, der erforderlich ist, um eine kleine Menge des Elektrolyten aus der Matrix zu verdrängen. Der Elektrolytträger 13 sollte bei guter mechanischer Festigkeit so dünn wie möglich sein, um den Innenwiderstand der Zelle möglichst kleinzuhalten.

Der poröse Elektrolytträger 13 besteht aus einem selbsttragenden, zusammenpreßbaren Wirrfaservlies mit Mikrofasern eines ein großes Molekulargewicht aufweisenden Polyarylsulfonätherpolymeren.

Ein poröser Elektrolytträger 13 wird durcl· langsames Lösen von 0,9 g eines Polyarylsulfonäthers, der im wesentlichen gemäß Beispiel 6 der GB-PS 11 22 192, herausgegeben am 31. Juli 1968, ohne die Verwendung von Biphenylmonosulfonylchlorid gewonnen wurde, in Dimethylformamid hergestellt, um nach 6 Stunden Umrühren bei 24° C eine 28% Mischkristaliösung mit einer Viskosität von 5000 Centipoise zu gewinnen. Andere Polyarylsulfonäther sind in der GB-PS 10 60 546, 11 63 975 und 10 16 245 offenbart. Die derart erhaltene Lösung wurd gemäß dem Verfahren nach der US-PS 25 71457 versponnen. Die Düsentemperatur betrug 24° C und der Luftdruck 4,9 kp/cm². Sehr feine, fortlaufende Mikrofasern mit einem Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 1,5 μΐη wurden erzeugt. Die Fäden wurden auf einem ortsfesten Aluminiumnetz gesammelt, um Wirrfaservliese einer Dicke von 380 bis 630 μπι zu erzeugen.

Die Mikrofasern des Elekirolytträgers 13 weisen einen äußeren kleinen Durchmesser im Bereich von 0,01 μπι bis 20 μπι auf, wobei Fasern mit einem Durchmesser im Bereich von 0,25 μπι bis 10 μπι bevorzugt werden. Elektrolytträger mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Faserverteilung sind erzeugt worden. Ein Elektrolytträger ist mit Fasern eines Durchmessers von 0,05 μηι bis 1,5 μπι hergestellt werden, wobei 50% der Fasern einen Durchmesser von 0,25 μηι und 0,50 μπι und 75% der Fasern einen Durchmesser zwischen 0,25 μπι und 0,75 μπι aufweisen. Ein anderer Elektrolytträger mit einem Faserdurchmesser von 0,14 μπι bis 1,75 μπι ist hergestellt worden, wobei 40% der Fasern einen Durchmesser zwischen 0,50 μπι und 0,75 μπι und 67% der Fasern einen Durchmesser zwischen 0,25 μπι und 1,0 μπι aufweisen.

Ein poröser Elektrolyttrager 13, der aus Mikrofasern aus Polyarylsulfonätherpolymer mit einem Durchmesser von ungefähr 0,5 μπι bis 3 μπι gebildet worden ist, und der eine Dicke von ungefähr 0,5 mm und ein Flächengewicht von ungefähr 60 g/m² aufweist, ist in Gegenwart von Elektrolyten bestehend aus 85% Phosphorsäure bei 175⁰C äußerst stabil. Der Druck des Stickstoffs, der notwendig ist, um eine Gasblase durch den Separator zu drücken, beträgt 0,1 kg/cm². Der

ίο Elektrolytträger nimmt von diesem Elektrolyten ungefähr das Dreizehnfache seines Gewichts auf. Andere Elektrolytträger, die das Sieben- bis Zweiundzwanzigfache ihres Gewichts aufnehmen, haben sich als günstig erwiesen. Nachdem der Elektrolyttrager 500 Stunden lang einer 85%-igen Phosphorsäure bei 175° C ausgesetzt war, zeigten sich keinerlei Veränderungen und nach 1300 Stunden war ein 10%-iger Gewichtsverlust festzustellen.
Im Gegensatz dazu wiesen bekannte Elektrolytträger aus E-Glasfasermembranen bzw. auch Phenolfasermembranen einen Gewichtsverlust von 100% auf, nachdem sie einer 85%igen Phosphorsäure bei 14O⁰C 15 Stunden lang ausgesetzt waren bzw. einen Gewichtsverlust von 2,5%, nachdem sie der 85%-igen Phosphorsäure bei 100° bis 150⁰C 168 Stunden lang ausgesetzt waren, wie in der US-PS 35 63 802 dargelegt ist

Der Elektrolyt 15 wird in dem Elektrolytträger 13 durch Kapillarkräfte gehalten und an einen Vorratsbehälter zugeführt oder aus ihm zugeführt Da die Kapillarkräfte weitaus stärker als die Gravitationskräfte sind, wird der Elektrolyt in den verbindenden Porenaufbau des Elektrolytträgers 13 aufgesogen und schnell verteilt.

Die Kapillarwirkung gewährleistet jederzeit eine selbsttätige Neuzufuhr des Elektrolyten zu den aktiven Elektrodenoberflächen, wobei jedoch die Wasserabführung durch Verdampfung kontinuierlich aufrecht erhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrolytträger für mit Gasen betriebene Brennstoffelemente, der aus Fasern eines organischen Polymeren besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytträger aus einem selbsttragenden zusammenpreßbaren Wirrfaservlies mit Mikrofasern eines ein großes Molekulargewicht aufweisenden thermoplastischen Polyarylsulfonätherpolymers besteht.

2. Elektrolytträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofasern einen Durchmesser im Bereich von 0,01 bis 20 μπι aufweisen.

3. Elektrolytträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofasern einen Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 1,5 μηι aufweisen