DE2458062C2 - Brennstoffzellenelektrode und ein Brennstoffzellensystem mit diesen Elektroden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Brennstoffzellen und im besonderen auf Brennstoffzellen, welche mit gasförmigen Reaktionsmitteln und flüssigen Elektrolyten betrieben werden.

Brennstoffzellen sind gut bekannte Vorrichtungen zur jo kontinuierlichen Erzeugung von Strom durch elektrochemische Reaktion zwischen Brennstoff und Oxydationsmittel, welche der Brennstoffzelle normalerweise von außerha-Ib der Zelie liegenden Quellen zugeführt werden. Eine Brennstoffzelle umfaßt grundsätzlich 2 Elektroden, welche durch einen Elektrolyten getrennt sind. Brennstoff wird an einer Elektrode (Anode) oxydiert, wobei Elektronen abgegeben werden, und das Oxydationsmittel wird an der anderen Elektrode (Kathode) reduziert, wobei Elektronen aufgenommen werden. Außerhalb der Brennstoffzelle liegende Leitungen gewähren einen Fluß der Elektronen durch eine in diesen Leitungen eingebrachte Belastung. Der Elektrolyt bildet ein ionisches Mittel zwischen den Elektroden, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.

Verschiedene Arten von Brennstoffzellen, welche sowohl in der Auffassung wie auch in der Struktur und den eingesetzten Reaktionsmitteln, dem Elektrolyten und den Herstellungsmaterialien verschieden sind, sind bekannt. In allen Brennstoffzellen versucht man, ein Leck und ein unerwünschtes Vermischen der Reaktionsgase in und außerhalb der Brennstoffzelle zu vermeiden. Die Resultate eines solchen Vermischens der Gase könnten katastrophale Folgen nach sich ziehen.

Ein erstes unbedingt wichtiges Problem in Brennstoffzellen ist somit die Wirkung und Zuverlässigkeit von Reaktionsgasabdichtungen. Verschiedene Dichtungssysteme wurden in der Vergangenheit eingesetzt, wie z. B. Dichtungsscheiben, O-Ringe und spezielle Zellenrahmen, sowie auch Schweiß- und Hartlötung. Verschiede- <>o ne weitere Verfahren wurden vorgeschlaj· "n, wie z. B. jene, welche in den ÜS-Patenten 34 81 737, 34 84 293 und im britischen Patent 11 74 765 beschrieben wurden.

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Abdichtung für Reaktionsgase in Brennstoffzellen mit flüssigem Elektrolyten. Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird durch die Benetzung durch den Elektrolyten eine nasse Abdichtung erhalten. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird durch eine mit Elektrolyt gesättigte Matrize und eine mit Elektrolyt gesättigte Elektrode eine Abdichtung erhalten.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert Es zeigt

Fig-1 einen partiellen Querschnitt durch eine einfache Brennstoffzelle, welche mit einer Abdichtung gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Elektrode-Matrizeneinheit und

Fig.3 einen Querschnitt durch eine Elektrode (mit einer gemeinsamen Matrize).

Die vorliegende Erfindung kann an eine Vielzahl von Brennstoffzellenstrukturen, Materialien und Arten angepaßt werden.

Die vorliegende Erfindung kann somit auf den verschiedensten Gebieten eingesetzt werden.

Eine spezifische Brennstoffzelle ist in den Figuren dargestellt In einem solchen Brennstoffzellentyp liegt eine mit Elektrolyt gesättigte Matrize 10 (wie in F i g. 3 dargestellt) zwischen und in Kontakt mit den Elektroden 12 und 14, welche jeweils mit einer katalytischen Oberfläche 16 bzw. 18 versehen sind. Die Matrize kann aus zwei Teilstücken 9 und 11, wie in F i g. 1 dargestellt, bestehen. Gemäß F i g. 1 liegt die Elektrode-Matrizeneinheit zwischen einem Paar Gastrennplatten 20 und 22, wodurch Reaktionsgaskammern 24 und 26 geschaffen werden. Beliebige, in Brennstoffzellensystemen eingesetzte Elektroden können verwendet werden. Gemäß der bevorzugten Struktur der Brennstoffzellen sollte die Elektrode aus einer gasdurchlässigen Nickelfolie oder einer gesinterten Nickelpulverfolie mit einem Katalysatorüberzug oder einer Katalysatorschicht auf der dem Elektrolyten zugewandten Seite der Elektrode bestehen. Im Falle von Säurezellen können die Elektroden aus einer gasdurchlässigen Kohlenstoffolie mit einem Katalysatorüberzug bestehen.

Die Wahl des auf den Elektroden verwendeten Katalysators hängt natürlich von der einzelnen Brennstoffzelle und deren Betriebsbedingungen ab. Die Metalle der Platingruppe werden oft als Katalysatoren in Säure- und Basenzellen eingesetzt. Die Gastrennplatten, welche in F i g. 1 dargestellt sind, bilden zusammen mit den Elektroden die Gaskammern und zusätzlich die elektrische Verbindung zwischen einzelnen Zellen in einem Brennstoffzellensystem. Die Trennplatten für Basenzellen werden oft aus Nickel hergestellt, wohingegen für Säurezellen die Trennplatten aus Kohlenstoff hergestellt werden.

Das Matrizenmaterial muß notwendigerweise hydrophil sein, da es den Elektrolyten enthält, und die Matrize sollte auch vorzugsweise eine kleine Porengröße aufweisen. Die Haupteigenschaft der Matrize besteht darin, daß sie mit dem Elektrolyten durch Kapillarwirkung imprägniert werden kann und der Elektrolyt in den Poren festgehalten wird. Asbestgewebe oder Fasermatten werden als Matrizenmaterial in einigen Basenzellen eingesetzt, wohingegen organische Kunststoffe in sauren Elektrolyten eingesetzt werden.

Gemäß der Erfindung weisen die Endenteilstücke 30, 32 der Elektroden 12, 14 von den herkömmlichen Elektroden abweichende Eigenschaften auf, so daß diese Endteilstücke mit Elektrolyt gesättigt werden können. Normalerweise sind die Elektroden natürlich gasdurchlässig und bis zu einem gewissen Ausmaß wenigstens hydrophob. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Elektrodenteilstücke so ausgebildet oder so behandelt, daß sie hydrophil werden. Dies

kann ζ. B. durch Imprägnierung mit Materialien wie Tantal, Graphit, Polyarylsulfon, Perfluorsulfonsäure, Polyphenylensulfid oder ähnlichen vorgenommen wer₇ den, wobei das Material natürlich mit Bezug auf eine Verträglichkeit mit dem Elektrolyten ausgewählt wird. Falls in der Elektrode ein hydrophober Kunststoff, wie z. B. Polytetrafluoräthylen, vorliegt, soll dieser vorzugsweise ausgebrannt oder durch andere Verfahren vor der Imprägnierung mit dem hydrophilen Material entfernt werden.

Wie in F i g. 1 dargestellt, erfüllt die mit Elektrolyt gesättigte Matrize verschiedene Funktionen. Sie dient zur Aufnahme des Elektrolyten der Brennstoffzelle. Zusätzlich schafft die Matrize eine Gasabdichtung zwischen dem Brennstoff in der Brennstoffkammer 24 zwischen der Anode 12 und der Trennplatte 20 und dem Oxydationsmittel in der Oxydationsmittelkammer 26 zwischen der Kathode 14 und der Trennplatte 22.

Ein Entweichen von Gas aus dem Inneren 40 in die Umgebung 42 der Brennstoffzelle soll durch die vorliegende Erfindung vermieden werden. Der Elektrolyt, welcher durch Kapillarkräfte in der Matrize festgehalten wird, verhindert ein Entweichen des Gases durch die Matrize. Die Benetzung durch den EleKtroIyten verhindert auch ein Entweichen von Gas an den Oberflächen 44 und 46.

Die mit Elektrolyt getränkten Endteilstücke 30 und 32 der Elektroden 12 und 14 verhindern ein Entweichen von Gas durch die Elektroden, da die Benetzung durch den Elektrolyten eine Abdichtung an den Oberflächen 50 und 52 der Trennplatten 20 und 22 schafft.

Falls die Trennplatten nicht benetzbar sind, können die Oberflächen überzogen oder aber behandelt werden, so daß sie benetzbar werden.

Der Elektrolyt selbst bildet somit eine nasse Abdichtung in dem Raum zwischen den Trennplatten.

Der Differentialdruck der Abdichtung wird durch die Kapillarkräfte, welche eine Funktion der ausgewählten Materialien und der Porengröße, des Typs und der Temperatur des Elektrolyten, welche die Viskosität beeinflussen, und des Typs und der Eigenschaften der abzudichtenden Oberflächen sind, bestimmt Es wurde bewiesen, daß nasse Dichtungen gegenüber Reaktionsgasen bei niedrigem Druck während vielen Stunden des Brennstoffzellenbetriebs wirkungsvoll sind.

in Fig.3 stellt eine Einheit bestehend aus einer einzelnen Elektrode und Matrize gemäß der F i g. 1 dar.

In den Fig. 1 und 2 ist die Matrize aus zwei

Teilstückeii 9, 11 bestehend dargestellt Somit liegt das Teilstück 11 der Matrize an der Elektrode 14 an,

is wohingegen das zweite Teilstück 9 der Matrize an der Elektrode 12 anliegt Die Matrizenmaterialien könnten natürlich identisch sein und einen aufgesprühten Oberzug aufweisen oder aber aus separaten, vom Material her verschiedenen Teilstücken bestehen.

Fig.3 zeigt ein weiteres Beispiel der Erfindung. Gemäß diesem Beispiel liegt die aus einem einzigen Stück bestehende Matrize 10 zwiscb ;t einem Paar Elektroden 12,14. Mit Bezug auf F i g. 3 kanr festgestellt werden, daß das gesamte Endteilstück 60 der Einheit eine Dichtung bildet Eine Mehrzahl solcher Einheiten, weiche übereinander aufgestapelt wurden, würde natürlich cn dem mit Elektrolyt gesättigten Ende abgedichtet sein.

Der wirkliche Wert der Erfindung liegt in der

st) Einfachheit Wirtschaftlich gesehen ist die Erfindung auch vorteilhaft, da keine größeren Ausgeben notwendig sind und keine Herstellungsprobleme für spezifische Komponenten auftreten. Die individuellen Elektrode/ Matrize- oder Elektrode/Matrize/Elektrode-Einheiten können alle identisch sein. Des weiteren sind die Dichtungen sehr zuverlässig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brennstoffzellenelektrode, bestehend aus einer porösen, elektrisch leitfähigen Folie, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (12,14) ein aktives poröses, gasdurchlässiges, flüssigkeitsundurchlässiges Teilstück (9,11) mit einer katalytischen Oberfläche (16, 18) sowie ein hydrophiles Endteilstück (30, 32) aufweist, welches mit Elektrolyt imprägniert werden kann, wobei der Elektrolyt durch die Kapillarkräfte in diesem Teilstück festgehalten wird und wobei das Endteilstück eine Abdichtung schafft

2. Brennstoffzellensystem mit Elektroden nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine mit Elektro- ₎₅ lyt gesättigte Matrize (10) in Kontakt mit den katalytischen Oberflächen (16,18) des Teilstückes (9, 11) und den entsprechenden Oberflächen des Endteilstückes (30,32) der Elektrode (12,14), wobei das Endteilstück der Elektrode und die Matrize eine kontinuierliche nasse Abdichtung bilden.