DE2458063C2

DE2458063C2 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE2458063C2
Application number: DE2458063A
Authority: DE
Inventors: Craig Raymond West Hartford Conn. Schroll
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1974-12-07
Publication date: 1983-12-08
Also published as: FR2255713B1; US3855002A; JPS58155B2; CA1010497A; DE2458063A1; FR2255713A1; JPS5095746A; GB1484040A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennstoffzellen und insbesondere auf Brennstoffzellen, welche mit gasförmigen Reaktionsmitteln und flüssigem Elektrolyt betrieben werden.

Brennstoffzellen sind gut bekannte Vorrichtungen zur direkten Erzeugung von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxydationsmittel, welche der Zelle von außerhalb der Zeile liegenden Quellen zugeführt werden. Die Grundzelle besteht aus zwei Elektroden, welche durch einen Elektrolyten getrennt sind. Brennstoff wird an der einen Elektrode oxydiert (Anode), wobei Elektronen abgegeben werden, und das Oxydationsmittel wird an der anderen Elektrode (Kathode) reduziert, wobei es Elektronen aufnimmt. Eine außerhalb der Zelle angeordnete Leitung gewährt einen Elektronenfluß durch eine Belastung zwischen den zwei Elektroden, und der Elektrolyt bildet ein ionisches Medium zwischen den Elektroden, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.

Eine große Anzahl verschiedener Brennstoffzellenarten hinsichtlich Auffassung, Konfiguration, Struktur, Reaktionsmittel, Elektrolyt und Herstellungsmaterialien eo ist bekannt. Eine gemeinsame Eigenschaft aller Brennstoffzellen besteht jedoch darin, daß unbedingt ein Entweichen von Gas und ein unerwünschtes Vermischen der Reaktionsgase in und außerhalb der Zelle vermieden werden muß. Die Auswirkungen einer b5 solchen Vermischung könnten katastrophale Folgen annehmen.

Ein besonderes Augenmerk wird somit in Brennstoffzellen auf die Wirkung und Zuverlässigkeit der Gasabdichtungen gelegt Verschiedene Abdichtungssysteme¹ wurden' schon vorgeschlagen und in der Vergangenheit eingesetzt, wis ä. Β. Dichtungsringe, O-Ringe und spezielle Zellengerüste, wie auch verschiedene Verfahren, wie z. B. Schweißen und Hartlöten. Verschiedene andere Verfahren, wie z.B. jene der US-Patente 34 81 737 und 34 84 293 sowie des britischen Patents 11 74 765, wurden vorgeschlagen, g·

Die vorliegende Erfindung schafft eine Abdichtung für Reaktionsgase in Brennstoffzellen mit flüssigem Elektrolyt durch Benetzung durch den Elektrolyten.

Zur näheren Erläuterung wird Bezug genommen auf die nachfolgenden Figuren. Es zeigt

F i g. 1 einen partiellen Querschnitt einer einfachen Zelle mit einer Abdichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und

F i g. 2 ein Teilstück der Abdichtung nach der Linie 2-2in Fig. 1.

Die vorliegende Erfindung kann an eine Vielzahl von Zellenstrukturen, Materialien und Konfigurationen angepaßt werden. Die Erfindung kann somit weitgehend eingesetzt werden, ohne daß die zur Herstellung der Zelle benötigten Materialien besondere Kriterien erfüllen müssen.

Eine gut bekannte Zellenstruktur ist in den Figuren dargestellt. In einer solchen Zelle liegt eine mit Elektrolyt gesättigte Matrize 10 zwischen Brennstoffzellenelektroden 12 und 14. Gemäß der Erfindung, und wie in der Figur dargestellt, ist eine der beiden Elektroden, in diesem Falle die Elektrode 14, länger als die zweite Elektrode. Die Elektroden/Matrizeneinheit liegt zwischen zwei Gastrennplatten 16 und 18, wobei diese Einführöffnungen 19 für die Reaktionsgase aufweisen. Aus einer Gaszufuhr außerhalb der Zelle gelangt das Reaktionsgas durch den Durchlaß 19 in Gaskammern 22.

Eine Vielzahl von Elektroden, welche in Brennstoffzellen eingesetzt werden, können gemäß der vorliegenden Erfindung gebraucht werden unter der Bedingung, daß sie genügende Starrheit besitzen,-um die Matrize über dem Durchlaß 19 zu tragen. Gemäß einer bevorzugten Zellenkonstruktion können die Elektroden aus porösen, gasdurchlässigen Nickelgittern mit einer Katalysatorschicht auf der dem Elektrolyten zugewandten Seite bestehen. Im Falle von Säurezellen können die Elektroden aus porösen, gasdurchlässigen Kohlenstofffolien mit einer Katalysatorschicht bestehen.

Die Auswahl des spezifischen Katalysators hängt natürlich von der spezifischen Zelle und deren Einsatzgebieten ab.

In Brennstoffzellen des Wasserstoff/Sauerstofftyps mit einem basischen Elektrolyten, wie z. B. Kaliumhydroxyd, oder einem sauren Elektrolyten, wie z. B. Phosphorsäure, werden oft die Metalle der Platingruppe als Katalysatoren eingesetzt. Die Gastrennplatten, welche in der bevorzugten Struktur auch eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen in einem Brennstoffzellensystem schaffen und zusätzlich hierzu die Gaskammern bilden, können aus Nickel bzw. Kohlenstoff in den Basen- bzw. Säurezellen bestehen.

Das Matrizenmaterial ist notwendigerweise hydrophil und soll möglichst geringe Porengrößen aufweisen. Die Matrize soll auch leicht komprimierbar sein, um einen innigen Kontakt mit den abzudichtenden Oberflächen zu schaffen. Die wichtigste Eigenschaft der Matrize ist deren Kapazität, durch Kapillarkraft Elektrolyt aufzunehmen und festzuhalten. Asbestgewe-

be werden in Brennstoffzellen mit basischem Elektrolyten weitgehend eingesetzt, wohingegen in Säurezellen fasrige organische Kunststoffmatten eingesetzt werden.

In der gezeigten Brennstoffzelle erfüFit die mit Elektrolyt gesättigte Matrize 10 eine Anzahl von Funktionen. Natürlich ist die Matrize IQ erst einmal der Elektrolytträger der Zelle. Zusätzlich schafft die Matrize 10 eine Gasabdichtung zwischen dem Brennstoff in der Brennstoffkammer 20 zwischen der Anode 12 und der G?strennplatte 16 und dem Oxydationsmittel in den Gaskammern 22 zwischen der Kathode 14 und der Gastrennplatte 18.

In der in F i g. 1 dargestellten Struktur bildet der Durchlaß 19 eine Verbindung zwischen den Gaskammern 22 und dem äußeren Gaszufuhrsystem 23. Eine Gasabdichtung muß hier entlang der Oberfläche 40 am Ende der Gastrennplatte 16 vorgesehen werden. Um dies zu erreichen, ist die Elektrode 12 etwas kürzer ausgebildet als die Matrize 10, so daß ein Matrizen/ Gastrennplattenkontakt entiang der Oberfläche 40 2υ gewährleistet wird.

Die Matrize 10 muß jedoch entlang der Oberfläche 42, entlang welcher sie einer Brücke über dem Durchlaß 19 bildet, gestützt werden, um eine Abdichtung entlang der Oberfläche 42 zu erhalten. Dies wurde durch eine verlängerte Elektrode 14 über der Oberfläche 42 erhalten. In diesem Bereich stützt somit die Elektrode 14 die Matrize 10. Ein Entweichen von Gas entlang der Oberfläche 42 ist nicht kritisch, da das Gas in den Gaskammern 22 und in dem Gaszufuhrsystem 23 natürlich das gleiche ist

Die mit Elektrolyt gesättigte Matrize bildet somit eine wirkungsvolle kapillare Abdichtung, welche ein Entweichen von Reaktionsgasen bei niedrigen Temperaturen verhindert Der Elektrolyt, welcher die Oberfläche 40 der Gastrennplatte 16 benetzt, bildet hier eine Gasabdichtung. Falls die Gastrennplatte nicht benetzbar ist, kann die Oberfläche dieser Gastrennplatte durch geeignete Verfahren behandelt oder aber mit einem Oberzug versehen werden, so daß dieses Teilstück benetzbar wird.

Die Differentialdruckeigenschaften der Matrize bei der Abdichtung hängen von den Kapillarkräften ab, welche eine Funktion des spezifischen Matrizenmaterials, der Porosität und der Porengröße, des Typs, der Temperatur und der Viskosität des Elektrolyten und des Typs und der Oberflächeneigenschaften der abzudichtenden Oberflächen. Es hat sich gezeigt, daß die nasse Abdichtung durch die mit Elektrolyt gesättigte Matrize während mehreren Stunden Brennstoffzellenbetrieb ein Entweichen von Reaktionsgasen bei niedrigem Druck verhindert

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Einfachheit Keine übertriebenen Ausgaben für spezifische Einheiten und keine Ausgaben für die Herstellung spezifischer Teilstücke sind notwendig, so daß die vorliegende Erfindung sehr wirtschaftlich ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Brennstoffzelleneinheit für Brennstoffzellen, welche mit gasförmigen Reaktionsmitteln und Flüssigelektrolyten betrieben werden, bestehend aus einem Paar poröser, gasdurchlässiger Brennstoffzellenelektroden mit einer inneren und einer äußeren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche eine Katalysatorschicht aufweist, einer mit Elektrolyt gesättigten Matrize in Kontakt mit den inneren Oberflächen der Elektroden, zwei Gastrertnplatten, welche außen an den betreffenden Elektroden angeordnet sind, wobei eine der Gastrennplatten mit der ersten Elektrode eine erste Gaskammer bildet und die zweite Gastrennplatte mit der zweiten Elektrode eine zweite Gaskammer bildet, wobei die Oberfläche derjenigen Gastrennplatte, die gegenüber der ersten Elektrode Iiejt, einen Gasdarchlaß zwischen den Gaskammern und für die Gaszufuhr von außen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (14) sich über den Gasdurchlaß (19) in der gegenüber dieser Elektrode angeordneten ersten Gastrennplatte (18) erstreckt und die Matrize (10) die gleiche Längenausdehnung wie diese erste Elektrode aufweist, wobei die zweite Elektrode (12) kurzer ausgebildet ist, so daß die Matrize (10) an diesem Endstück direkt an der zweiten Gastrennplatte (16), welche gegenüber der zweiten Elektrode (12) angeordnet ist, anliegt und der Elektrolyt in der Matrize zwischen der Matrize so und der anliegenden zweiten Gastrennplatte (16) eine nasse Abdichtung bildet, welche ein Entweichen von Gas verhindert.