DE2502738C3 - Brennstoffbatterie - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Es sind Brennstoffbatterien bekannt, vor allem Brennstoffbatterien der sog. Filterpreßbauweise, die aus
mehreren mit einem beliebigen geeigneten Mittel miteinander verkeilten Einzelzellen bestehen, von
denen jede einzelne eine Anode und eine von dieser durch einen Separator isolierte Kathode aufweist, wobei
Stromkollektoren für den stetigen elektrischen Stromfluß zwischen benachbarten Einzelzellen sorgen. Anode
und Kathode werden dabei von flüssigen Reaktionsstoffen umströmt, die den Elektrolyten und den Brennstoff
bzw. den Elektrolyten und den Sauerstoffträger enthalten.
Solche Brennstoffbatterien werden beispielsweise in den französischen Patentschriften Nr. 15 22 304,
15 22 305, 15 22 306 und 15 84 577 beschrieben, oder in
der DE-OS 15 96 061.
Diese Batterien sind für verdünnte Reaktionsstoffe und Elektrolyten ausgelegt, die im allgemeinen bei
mäßigen Temperaturen reaktionsfähig sind und unter diesen Bedingungen Stromstärken (bei noch annehmbarer
Polarisierung) von mindestens einigen zehn mA/cm 2 abgeben können. Solche Konstruktionen
erwiesen sich vor allem bei Reaktionsstoffen wie Hydrazin, Wasserstoffsuperoxyd, atmosphärischer Luft
usw. als vollkommen geeignet und führten zum Bau von elektrischen Hochleistungsgeneratoren, die insbesondere
aufgrund ihrer Leistungsdichte von etwa einem Kilowatt pro Kubikdezimeter bemerkenswert sind.
Im Experiment aber zeigte es sich, daß solche Konstruktionen schlecht für die Verwendung konzentrierter
Reaktionsstoffe und für Elektrolyten geeignet sind, die bei hohen Arbeitstemperaturen reagieren, und
daß sie zahlreiche Nachteile aufweisen, wenn hohe Konzentrationen und hohe Temperaturen zur Erzielung
annehmbarer Stromdichten notwendig sind, wie es z. B. bei einem Brennstoff wie Methanol erforderlich ist, der
als Brennstoff im Zusammenspiel mit einem Sauerstoffträger
wie Luft besonders interessant ist.
Ein erster Nachteil besteht in den beträchtlichen Methanolverlusten durch Verdampfen in der das
iiennstoffelement durchquerenden Luft, woraus sich eine ziemliche Beeinträchtigung der Leistung ergibt.
Ein zweiter Nachteil ist der Energieverlust durch
Nebenschlüsse durch den allen Zellen ein und derselben
Batterie gemeinsamen Elektrolyten, was wiederum zu einer Leistungsbeeinträchtigung führt.
Ein weiterer Nachteil besteht in Jen großen Luftdruckverlusten, die zur Verwendung eines Kompressors
zwingen, dessen Leistungsaufnahme, Raumaufwand, Kosten und Lärm den Wirkungsgrad, die
Leistungsdichte, den Herstellungspreis und die Verwendungsmöglichkeiten
des Brennstoffelements beeinträchtigen.
Ein anderer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß beim Einsatz von Methanol und ganz allgemein von
jedem kohlenstoffhaltigen Brennstoff, der die Anwendung des in der DE-OS 16 71935 beschriebenen
Kohlensäureentzugszyklus zur Entfernung des entstehenden Kohlendioxyds erforderlich macht, die hohen
hier vorgesehenen Konzentrationen die Wirksamkeit dieses ja in erster Linie für schwache Konzentrationen
vorgesehenen Zyklus beeinträchtigen und line Verringerung
der Leistung sowie zu große Abmessungen des Stromerzeugers nach sich ziehen.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß die Lebensdauer des Brennstoffelements spürbar
durch die sich aus einer zu starken gegenseitigen Beeinflussung der Bauteile, des Elektrolyten und der
Reaktionsstoffe ergebenden Abnutzungsprozesse herabgesetzt wird.
Ein anderes Kennzeichen der bekannten Brennstoffelementbauweise besteht darin, daß sie zur Bildung
eines autonomen vollständigen Generators einer großen Anzahl von Hilfseinrichtungen (wie beispielsweise
Kühler, Kühlventilalor, Kompressor für die chemisch wirksame Luft, Rekuperator für verdampftes
Methanol, Vorkondensator für Wasserdampf, Elektrolytpumpen, Einspritzpumpen, Konzentrationsmesser.
Regelungselektronik usw.) bedarf, die viel Platz beanspruchen, kompliziert und teuer sind und spürbare
Leistungsdichte, Zuverlässigkeit, Wartungskosten und Preis des Ganze.i nachteilig beeinflussen.
Die erfindungsgemäße Batterie gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat zum Ziel, die oben genannten
Nachteile zu mildern oder ganz zu beseitigen.
Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche
verwiesen.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher
erläutert. Dabei ;:eigt
F i g. 1 eine Vorderansicht einer Zelle der erfindungsgemäßen
Brennstoffbatterie,
F i g. 2 einen Teilschnitt durch die Zelle aus F i g. 1,
F i g. 3 in Vergrößerung einen Teil A der F i g. 2,
F i g. 4 eine Vergrößerung des Teils A der F i g. 2 nach Entfernen des Elektrolyts,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer eisten Ausführungsform eines Elektrolytaustauschsystems der
Batterie,
Fig. 6 schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform eines Elektrolytaustauschsystems für
die Batterie,
F i g. 7 eine erste relative Zuordnung der Bauteile der Zellen der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie,
F i g. 8 eine zweite Zuordnung der Bauteile der Zellen der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie,
Fig. 9 eine perspektivische Außengesamtansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie,
Fig. IO eine schematisch:: Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffbatterieaggregats in Betrieb.
ίο
In den Fig. 1 und 2 wird eine als ganzes mit dem
Bezugszeichen 1 versenene Zelle der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie dargestellt; dabei handelt es sich
um eine Brennstoffbatterie der Filterpressenbauweise, die in Aufeinanderfolge mehrere mit der Zelle 1
identische Zellen aufweist, die, wie es weiter unten gezeigt wird, aneinander gepreßt werden.
Die Zelle 1 enthält eine Kathode 2 und eine Anode 3, die mit einem Boden 4 eine Elektrolytkammer 5
begrenzen, die den Elektrolyten 6 enthält.
Oberhalb der Elektrolytkammer 5 befindet sich ein Austauschkondensator 7, der zwei Wandungen 8 und 9
besitzt, zwischen denen Luft zirkuliert, die durch den Pfeil Fl angedeutet wird. Die Zelle 1 enthält darüber
hinaus zwei metallische Stromkollektoren, d.h. einen katiiodischen Kollektor 10 und einen anodischen
Kollektor 11, durch die die elektrische Kontinuität mit den Nachbarzellen des Brennstoffelements erreicht
wird.
Die Kollektoren werden aus einer Metall- oder mit Kohlenstoff versetzten Kunststoffolie gebildet, die
leitend ist und einige zehn μηι Dicke aufweist; sie trägt
ein sich wiederholendes Prägemuster, vorzugsweise zickzackförmig verlaufende Rillen, die im Mittel
senkrecht verlaufen; die Stärke der Folie erreicht auf diese Weise über alles 500 μΐη.
Die Kollektoren werden auf ihrem Umfang mit Hilfe eines isolierenden Kunststoffmaterials mit einem Anguß
versehen, wobei der untere äußere Umfang öffnungen aufweist, die so zusammenwirken, daß sie kammerartig
verzahnte Zuführungskanäle (bzw. Ableitungskanäle) für den Sauerstoffträger bzw. den Brennstoff bilden,
wobei die jeweils gleichartigen Kanalisierungen an einer Seite des Bauteils mit der entsprechenden
Gaskammer über Mikrokanäle oder einen Stachelbereich in Verbindung stehen; dabei sind die Kanalisierungen
für die Atmosphärenluft vorzugsweise weiter als die für den Brennstoff und vorzugsweise geöffnet, so daß
die Luft durch eine Ein- bzw. Auslaßöffnung großen Durchmessers und ohne Richtungswechsel ein- bzw.
austreten kann, wobei die Kollektoren darüber hinaus weitere Öffnungen und Erhebungen aufweisen, die
Kanalisierungen und Mikrokanäle für die Zufuhr und den Abfluß des Elektrolyten in die Elektrolytkammern
sowie für deren Entleeren bilden; schließlich weisen sie evtl. noch öffnungen auf, durch die Ankerschrauben
geführt werden können, mit denen die Batterie zwischen Spannplatten eingespannt werden kann.
In F i g. 2 erkennt man, daß in der Elektrolytkammer 5
zwischen den Elektroden 2 und 3 eine poröse und flüssigkeitsrückhaltende Membran 12 angeordnet ist
und daß sie sich in den oberen Bereich der Zelle 1 erstreckt, wo sie zwischen der Wandung des Austauschkondensators
8 und dem kathodischen Kollektor 10 liegt. Diese Membran 12 einer Stärke von einigen zehn
bis einigen hundert μίτι ist im Innern der Elektrolytkammer
mit einem Prägedruck ähnlich dem der Kollektoren versehen und kommt abwechselnd mit der Oberfläche
der Elektroden 2 und 3 in Berührung; diese Anordnung wird besonders deutlich in F i g. 3 gezeigt und ist an sich
in Verbindung mit Bleiakkumulatoren bekannt, z. B. aus der DE-AS 11 12 560.
Das aus den beiden Elektroden 2 und 3, dem Kollektor 10 und dem Kollektor 11 bestehende Ganze
wird in Rahmen 13, 14, 15 gehalten oder mit Kunststoff vergossen; die relative Lage dieser Rahmen wird in
dieser Figur nicht deutlich, jedoch später noch beschrieben.
Die Methanoldampf- bzw. Luftströmungen werden durch Pfeile FI und F3, das Abscheiden des
Kohlendioxyds und der verbrauchten sauerstoffärmeren Luft durch die Pfeile F 4 und F5 dargestellt.
Die Methanolzufuhr und die Lufteinspeisung erfolgt über Kanäle 16 bzw. 17, während die Ableitung der sich
bei der Reaktion ergebenden Gase durch Kanäle 18 und 19 erfolgt (F ig. 1).
Durch Kanäle 20 und 21 wird der Elektrolyt 6 in seine Elektrolytkammer 5 eingefüllt bzw. aus ihr entfernt, wie
es an anderer Stelle näher erläutert wird.
Die Kathode 2 besteht aus einer Schicht eines Katalysators wie beispielsweise Kohlenstoff und einem
Binder wie beispielsweise Polytetrafluorethylen und Kohlenstoffasern 25. Solche Fasern, die in die zur
Herstellung der Kathodenschicht dienende Paste gegeben werden, weisen eine geringe Länge auf und
verteilen sich im Mittel in Längsrichtung; sie sorgen einerseits für das Zusammenhalten der Kathode und
andererseits für eine in Längsrichtung hohe Leitfähigkeit unter gleichzeitigem Verbessern des Kontakts
zwischen der Kathode 2 und dem Kollektor 10.
Die Anode 3 besteht aus zwei Schichten, einer ersten Schicht 3', die aus Aktivkohle, die mit einem geeigneten
Katalysator versetzt ist, beispielsweise mit Platinmetallen, und einem Binder sowie aus einem bestimmten
Anteil eines wasserabstoßenden Harzes wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen gebildet wird, sowie einer
zweiten Schicht 3", die aus einem CO32~Ionenfixierer
gebildet wird, bei dem es sich um ein starkbasisches lonenaustauscherharz oder ein unlösliches Hydroxydpulver
handeln kann, das ein unlösliches Karbonat bildet, wie es beispielsweise Kalziumhydroxyd tut.
Vorteilhafterweise sind Kohlenstoffasern 25 gleich denen der Kathode auch in der anodischen Schicht
dispergiert; im Fall der Anode kann jedoch der Fixierer, das Harz bzw. das Hydroxyd innig mit dem Katalysator
vermischt werden, wobei die Anode dann in Form einer einzigen Schicht vorliegt.
Der Elektrolyt 6, der die Elektrolytkammer 5 ausfüllt, besteht aus einer 1 bis 2 n-Kaliumhydroxidlösung. die
darüber hinaus ein neutrales Salz wie beispielsweise Kaliumchlorid, Kaliumsulfat usw. mit einer Konzentration
von bis zu mehreren Mol pro Liter enthält, das die Leitfähigkeit erhöhen, die Anzahl der bei der Kohlendioxyd-Entfernungsphase
transportierten OH-Ionen verringern und die Neutralisationsanionen des Harzes
oder des Hydroxyds beim Entfernen der gebundenen CO3 liefern soll. Ferner enthält der Elektrolyt einen
pH-Wert vorzugsweise in der Nähe des pH-Werts liegt, bei dem CO2 abgeschieden wird; bei diesem Puffer
nt-l VUap(a liArriinpmaira in An*· ΚΙΐΐΙιη Λη*·
LJ Wf *
liegt, bei dem CO2 abgeschieden wird; bei diesem Puffer
kann es sich beispielsweise um die Systeme Borat — Borsäure, Hydrogenorthophosphat — Dihydrogenorthophosphat,
Essigsäure — Azetat handeln.
In den F i g. 1 bis 3 wurde die Elektrolytkammer 5 mit Elektrolyt 6 angefüllt dargestellt.
Die F i g. 4 stellt die Elektrolytkammer 5 nach dem Entfernen des Elektrolyten dar; ein solcher Vorgang
stellt eine Phase des Arbeitsprozesses dar, der an anderer Stelle erläutert wird.
In F i g. 4 ist insbesondere zu sehen, daß nach einem solchen Entleeren die poröse Membran 12 Elektrolyt
zurückbehält und daß sich darüber hinaus an den Kontaktpunkten zwischen dieser Membran und den
Elektroden Elektrolytmenisken wie beispielsweise 26 ausbilden; daraus ergibt sich eine ununterbrochene
Elektrolytbrücke zwischen den Elektroden 2 und 3.
In Fig. 5 ist zu sehen, daß Elektrolyt 6 der Elektrolytkammer 5 der Zelle 1 in einen Behälter 27
überführt werden kann, der in einem Anguß 28 im äußeren Rahmen der Zelle angeordnet sein kann; eine
solche Überführung geschieht durch einen siphonartigen Kanal 20 und unter der Wirkung eines mit Hilfe
einer Pumpe an einem Kanal 29 geschaffenen Unterdrucks.
Umgekehrt kann der Elektrolyt 6 von neuem in die Elektrolytkammer 5 durch einen über einen Kanal 21
erzeugten Unterdruck zurückgeleitet werden (siehe auch Fig. 1).
Der Elektrolyt 6 kann auch aus der Elektrolytkammer 5 der Zelle 1 einer ersten Brennstoffbatterie mit Hilfe
eines dem zuvor beschriebenen analogen Verfahrens in die Elektrolytkammer einer Zelle einer zweiten, im
Parallelbetrieb mit dem ersten Element liegenden Brennstoffbatterie und umgekehrt gefüllt werden,
wobei die dazu notwendigen Unterdrücke durch Kanäle erzeugt werden.
Bei einer dritten Art ist jede Zellde der Brennstoffbatterie einer benachbarten Zelle derselben Brennstoffbatterie
zugeordnet. Dieser Fall ist in F i g. 6 dargestellt. So steht die Elektrolytkammer 5 der Zelle 1 mit der
Elektrolytkammer 5' der Zelle Γ, die Kammer 5" der Zelle 1" mit der Kammer 5'" der Zelle Γ" über
siphonartige Kanäle 20 bzw. 20' in Verbindung, wobei die Kammer 5/der Zelle 1/ mit der Kammer 5;'+ 1 der
Zelle für 1/+1 über den Kanal 20/verbunden ist, usw,
Die Kammern 5,5', 5"... 5/+1 sind mit Kanälen 21,21',
21" ... 21/+1 versehen, die durch Leitungen 30 und 31 gespeist werden, die abwechselnd mit der Unterdruckpumpe
in Verbindung gesetzt werden können, so daß
der Elektrolyt 6 von einer Kammer zur folgenden und umgekehrt geleitet werden kann.
In Fig.7 wird eine erste Anordnungsweise der
Einzelzellen der Brennstoffbatterie dargestellt. Drei Zellen 1, Γ und 1" sowie ihre Hauptbauteile, d.h. die
4» Kathoden 2, 2', 2", die Anoden 3, 3', 3", die Trennmembran 12,12', 12", die anodischen Kollektoren
11 und 11' und die kathodischen Kollektoren 10 und 10' gezeigt, wobei jeder dieser Kollektoren natürlich zwei
Zellen gemeinsam ist, und schließlich die Austauschkondensatoren7,7',
7".
Eine solche Anordnung ist symmetrisch, d.h., daß jeder Zelle ein Austauschkondensator zugeordnet ist
wobei die Membranen 12, 12', 12" gegen eine der Wandungen jedes dieser Kondensatoren gedrückt
werden.
F i g. 8 stellt eine zweite Anordnungsform, in diesem Fall eine asymmetrische dar, mit vier Zellen 1,1',!" und
Γ" der Brennstoffbatterie mit ihren Hauptbauteilen, d. h. mit den Kathoden 2,2', 2", 2'", den Anoden 3,3', 3",
3'", den Trennmembranen 12, 12', 12", 12'", den Kollektoren 11, II', 11", 10, 10' sowie den beider
Austauschkondensatoren 39 und 39'. Bei dieser Ausführungsform steht eine der Seiten jedes Austauschkondensators
in direktem Kontakt mit der Trennmembrari
einer Zelle, während die andere Seite mit der Trennmembran der benachbarten Zelle über der
anodischen Kollektor dieser Zelle in Berührung steht
Ferner weisen die Austauschkondensatoren 39 und 39' einen Querschnitt auf, der praktisch gleich dem
Zweifachen des Querschnitts der Austauschkondensatoren
gemäß Fig.7 ist Eine solche Ausführungsweise ermöglicht es, die Druckverluste der Kühlluft gering zt
halten, während die Verluste in den kapillarer
Zwischenräumen sich umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Kapillarabmessung verhalten.
F i g. 9 zeigt perspektivisch eine Außenansicht einer praktischen Ausführungsweise einer erfindungsgemäßen
Brennstoffbatterie. Eine solche Brennstoffbatterie enthält also mehrere aneinander gepreßte Zellen 1 (in
der Figur nicht sichtbar); dieses Aneinanderpressen wird mit Hilfe von Endplatten 40 und 41 erreicht. In der
F i g. 9 sind die öffnungen der Austauschkondensatoren 7 ... 7/zu erkennen, die die durch den Pfeil Fl (siehe
auch Fig. 1) angedeutete Kühlluft aufnehmen, sowie der untere erweiterte Teil bzw. die Einlaßöffnungen mit
großem Durchmesser der Kanäle 17 für die Zuführung von Luft entlang dem Pfeil F3. Die Platte 41 weist eine
Einspritzdüse 42 zur Zuleitung von Methanol, die in das Ende der Kanäle 16 (Fig. 1) mündet, zwei Stutzen 43
und 44, mit denen die Leitungen 30 und 3t für den Elektrolytaustausch (F i g. 6) mit einer Unterdruckpumpe
verbunden werden, einen Stutzen 45, der mit den Öffnungen 18 und 19 (F i g. 1) in Verbindung steht, durch
die das Kohlendioxid und die Restluft nach der Reaktion in der Brennstoffbatterie abgeführt werden, und
schließlich einen Stopfen 46, der die Kanalisierung oder einen Kanal verschließt, über den es möglich ist, den
Elektrolyten aus der Zelle zu entfernen. Ferner sorgen zwei Ausgangsklemmen 47 und 48 für die Ableitung des
in der Batterie erzeugten Stroms zum Verbraucher. Eine solche Brennstoffbatterie kann in ein Harz eingebettet
sein, jedoch so, daß natürlich die Luft frei ein- und austreten kann.
F i g. 10 stellt in sehr allgemeiner schematischer Form
die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie dar.
Die Zelle 1 und ihre zuvor beschriebenen hauptsächlichen Bauteile sind hier schematisch dargestellt. Ferner
ist ein Ventilator 49 vorhanden, mit dem einerseits für den Kühlluftdurchsatz entlang dem Pfeil Fl zum
Austauschkondensator 7 und andererseits für den Verbrennungsluftdurchsatz zur Kathode 2 entlang dem
Pfeil F3 gesorgt wird, während die bei der Reaktion entstehenden Gase entlang den Pfeilen F4 und F5
ausgeschieden werden.
Ein Methanolbehälter 50 versorgt über eine erste Pumpe 52 die Brennstoffzelle mit diesem Brennstoff.
Eine zweite Pumpe 53, die einen Unterdruck erzeugt, entfernt den Elektrolyten 6 aus der Elektrolytkammer 5
in einen Behälter oder in eine andere Elektrolytkammer der Zelle, wie an Hand der F i g. 5 und 6 beschrieben
wurde. Diese andere Kammer wird in der Fig. 10 mit der Bezugszahl 54 versehen. so
Die .Arbeitsweise umfaßt zwei abwechselnd auftretende
Phasen, d. h. eine aktive Phase und eine Phase, bei der das Kohlendioxyd aus dem Elektrolyten entfernt
wird. Nur während der aktiven Phase wird Strom erzeugt
Was die erste, aktive Phase betrifft, so wird die Brennstoffbatterie mit Hilfe der Pumpe 52 (Fig. 10)
durch die Einlaßdüse 42 (F i g. 9) mit Methanol versorgt Der Brennstoff verdampft auf der Stelle, da die im
Brennstoffelement herrschende Temperatur etwa 75° C beträgt; selbstverständlich kann beim Starten am
Eingang des Brennstoffelements ein an sich bekannter Heizwiderstand zur Zerstäubung des Methanols vorgesehen
werden, bis die Temperatur im Innern der Brennstoffbatterie die Betriebstemperatur erreicht hat
Die Methanoldämpfe werden dann durch die Kanäle 16 (Fig. 1) den verschiedenen Einzelzellen wie beispielsweise
1 der Brennstoffbatterie zugeführt, steigen entlang der Anode gemäß dem Pfeil F2 auf und
erzeugen durch Oxydation auf der Anode insbesondere CO32--Ionen, die den Elektrolyten karbonisieren, im
vorliegenden Fall also die Kalilauge. Die restlichen Methanoldämpfe, die übrigens in sehr geringen Mengen
übrigbleiben, steigen in den oberen Teil der Zelle auf, wo ihr Sättigungsdampfdruck kleiner wird als der Atmosphärendruck,
so daß sie nicht die Zelle verlassen und so nicht verlorengehen.
Die so gebildeten CO32--Ionen werden von der
Fixierschicht "i" der Anode 3 eingefangen, wobei der anfangs die Form OH- aufweisende Fixierer nunmehr
in die Form CO32- übergeht. Kathodenseitig wird die Brennstoffzelle durch den Ventilator 49 (Fig. 10) mit
Luft versorgt, wobei der Ventilator gleichfalls entlang
dem Pfeil Fl dem Austauschkondensator 7 Kühlluft zuführt. Die durch die Kanäle 17 zugeführte Verbrennungsluft
steigt entlang der Kathode gemäß dem Pfeil F3 auf und ihr Sauerstoff erzeugt mit dem Elektrolyten
OH--Ionen. Die Restluft wird dann durch die Kanäle 19 entlang dem Pfeil F5 nach außen abgegeben.
Bei ihrem Transport entlang der Kathode 2 gibt die Luft Sauerstoff ab und nimmt den infolge der im Innern
der Brennstoffzelle herrschenden hohen Temperatur entstandenen Wasserdampf auf. Wenn sie mit der
Wandung 9 des Austauschkondensators 7 (Fig. 1) in Berührung kommt, wird der Wasserdampf kondensiert
und durch den flachen Teil der Trennmembran 12 aufgefangen, der das Wasser dem Elektrolyten 6 der
Elektrolytkammer 5 wieder zuführt. Eine solche aktive Phase der Brennstoffzelle setzt sich so lange fort, bis
praktisch der gesamte Fixierer in die Form CO32-überführt
ist.
In einer solchen aktiven Phase fließt der Elektrolyt nicht, wodurch es möglich ist, einerseits eine gleichmäßige
Reaktion auf der gesamten Oberfläche der Elektroden zu erhalten und andererseits die Nebenschlußverluste
auszuschalten, da die Verbindung zwischen den Elektrolytkammern der Einzelzellen des
Brennstoffelements lediglich durch einen Mikrokanal für den Niveauausgleich hergestellt wird. Daher ist man
bei der Zusammensetzung der Elektrolyten keinerlei Beschränkungen ausgesetzt und man kann in dieser
Hinsicht die günstigsten Bedingungen auswählen.
Durch die Verwendung einer Trennmembran 12 in senkrechter Richtung vermeidet man, daß Luft oder
Methanol direkt die entgegengesetzte Elektrode erreichen, falls eine Elektrode bei einem Defekt durchlässig
wird.
Wenn dann der Fixierer der Anode 3 in Form von CO32- vorliegt, erreicht man die Phase, bei der das
Kohlendioxyd abgeschieden wird. Zu diesem Zweck wird dann die Elektrolytkammer 5 geleert wobei der
Elektrolyt 6 mit Hilfe der Saugpumpe 53 (Fig. 10) entweder in einen Hilfsbehälter 27 (F i g. 5) oder in eine
Zelle eines anderen Brennstoffelements oder in eine andere Zelle 5' desselben Brennstoffelements (F i g. 6)
geleitet wird.
Bei diesen Umpumpvorgängen saugt die Pumpe 53 über die Stutzen 43 und 44 und die Leitungen 29,211 bis
21,·+1 lediglich Luft an und verbraucht folglich nur wenig
Leistung.
Aus Fig.4 läßt sich erkennen, daß, wenn die
Elektrolytkammer 5 leer ist zwischen den Elektroden 2 und 3 eine durchgehende Elektrolytbrücke gewahrt
bleibt da die Membran 12 mit Elektrolyt gesättigt bleibt und sich an den Berührungspunkten zwischen der
Membran und den Elektroden Menisken 26 bilden.
Auf diese Weise hat man ein neues Elektrolytsysteni geschaffen, das einen geringen Widerstand aufweist, bei
dem jedoch die OH--Diffusion, die durch einen Faktor 50 im Verhältnis zum Stand der Technik verringert ist,
vernachlässigbar klein geworden ist und bei dem der einzige OH--Zusatz durch die Wanderung gegeben isi,
die aufgrund des Vorhandenseins des neutralen Salzes mit einer sehr geringen Transportzahl abläuft. Die
Methanol-Oxydation, die eine Base verbrauchen muß, erfolgt daher hauptsächlich unter CO32- -Verbrauch, das
durch den Fixierer eingefangen wurde; dieses CO32"
wird wegen des gelösten Puffers, der zwischen den Reaktionszonen der Anode und dem Fixierer als Relais
dient, »mobilisiert«: der Puffer geht von der basischen Form zur sauren Form in der Reaktionszone über; diese
saure Form reagiert mit dem COj2-. das sich in CO?
verwandelt hat und in dieser Form ausgeschieden wirci, während die saure Form, die durch die Reaktion wieder
basisch geworden ist, von neuem für denselben Zyklus verfügbar ist. In diesem Augenblick wird der Elektrolyt
6 wieder in seine Elektrolytkammer 5 mit Hilfe der Pumpe 53 eingeführt, die diese Flüssigkeit durch die
Kanalisierung 21 bis 21,·+1 ansaugt, und die Zelle 1
arbeitet von neuem in der aktiven Phase, womit ein neuer Zyklus beginnt usw.
Beim Einleiten des Elektrolyten in seine Elektrolytkammer kommt es zu einer Entladung zwischen den am
Harz fixierten CHjCOO--lonen und den OH--Ionen
des Elektrolyten, wobei der je nach Fall in löslicher oder ungelöster Form durch das Anion des neutralen Salzes
neutralisierte Fixierer wieder in die in allen Fällen unlösliche OH--Form übergeht.
jede Einzelzelle der Brennstoffzelle durchläuft abwechselnd eine aktive Phase und eine Phase, bei der
das Kohlendioxyd abgeschieden wird; dabei beträgt die Dauer der aktiven Phase vorzugsweise etwa einige zehn
bis einige huntert Sekunden und die Phase, bei der das Kohlendioxid abgeschieden wird, eine Dauer von etwa
der Hälfte oder einem Drittel der aktiven Phase.
Die Regelung der verschiedenen Betriebsphasen der Brennstoffbatterie kann durch bekannte Vorrichtungen
und Regelungen erreicht werden, die lediglich eine einfache Elektronik zum Einsatz bringen, die nicht teuer
ist und einen minimalen Verbrauch an elektrischer Energie aufweist.
Beispielsweise können die Pumpe 52 (F i g. 10) für die Methanol-Injizierung und der Ventilator 49 in Abhängigkeit
vom von der Brennstoffbatterie erzeugten Strom gesteuert werden.
Ferner kann die Feststellung des Endes der aktiven Phase mit Hilfe eines Coulombmeters durchgeführt
werden, das auf die Pumpe 53 einwirkt und die Phase in Gang setzt, bei der das Kohlendioxyd ausgeschieden
wird.
Das Ende dieser letzteren Phase kann durch einen Kohlendioxyd-Druckmesser festgestellt werden, der in
dem Stutzen 45 (F i g. 9) untergebracht ist und auf die Pumpe 52 einwirkt und so eine neue aktive Phase
einleitet.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft eine Brennstoffbatterie, die als Brennstoff Methanol und als
Sauerstoff träger Luft verwendet; selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung andere Stoffe
vorgesehen werden.
Außer Methanol können insbesondere Kohlenwasserstoffe und Erdgas eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Batterie besitzt folgende vorteilhafte Eigenschaften:
— Die Einzelzellen können in ein und derselben Batterie in großer Anzahl durch einfaches Aufeinanderstapeln
gemäß der Filterpressenbauweise von einer Grundfolge von mehreren kleinen Grundbauteilen
zusammengesetzt werden, wobei der Stapel automatisch die Reihenschaltung der Zellen bewirkt
und wobei die Bauteile geeignete öffnungen und Erhebungen umfassen, deren Zusammenwirken
innerhalb des Stapels die Zuführungs- und Ableitungskanäle für den Brennstoff und den Sauerstoffträger
sowie für die Zuführung und Ableitung des Elektrolyten bestimmen; die Gesamtstärke einer
Zelle in der Batterie bewegt sich in der Größenordnung eines Millimeters.
— Während des Betriebs ist der in jeder Einzelzelle vorhandene Elektrolyt vom in jeder anderen
Einzelzelle vorhandenen Elektrolyten isoliert, so daß Nebenschlüsse über einen gemeinsamen Elektrolyten
vermieden werden und daher ohne weiteres konzentrierte Elektrolyten verwendbar sind und
hohe Arbeitstemperaturen ermöglicht werden.
— Anode und Kathode sind durch einen konvektionsfreien Elektrolytraum getrennt, dessen Stärke (etwa
5/10 mm) ausreicht, um zu erreichen, daß die Hindurcndiffundierung eines Brennstoffs wie Methanol
durch diesen Elektrolytraum zwischen Anode und Kathode eine Störverdampfung von weniger als
10% des verbrauchten Methanols in die die Kathodenkammer durchströmende Luft mit sich
bringt.
— Jede Einzelzelle enthält einen Austauschkondensator, der baulich in die Zelle integriert ist und mit dem
elektrochemischen Teil der Zelle zusammenwirkt, diese durch Verdampfen von Elektrolytwasser in die
die Brennstoffzelle durchfließende Luft kühlt und das so entstehende Wasser nach der Kondensierung
durch natürliche Vorgänge ohne Pumpmittel wieder zurückführt.
— Die von der chemisch aktiven Luft und der Kühlluft durchlaufenen Wege weisen eine minimale Länge
und einen maximalen Querschnitt auf, sind frei von
so Verengungen oder Abknickungen und ermöglichen einen Gesamtdruckverlust von lediglich einigen
Millimetern Wassersäule, so daß die Strömung der chemisch aktiven Luft und der Kühlluft mit Hilfe
eines preisgünstigen Niederdruckventilators erzielt wird und somit von der Verwendung eines
Kompressors abgesehen werden kann.
Die Erfindung findet praktisch Anwendung insbesondere als elektrischer Generator für umweltverschmutzungsfreie Fahrzeuge.
Die Erfindung findet praktisch Anwendung insbesondere als elektrischer Generator für umweltverschmutzungsfreie Fahrzeuge.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Brennstoffbatterie, bestehend aus der Stapelung mehrerer Einzelzellen, die je eine katalytisch
wirksame Anode, eine katalytisch wirksame Kathode, einen von diesen umschlossenen Elektrolytraum
mit einem basischen Elektrolyten sowie einen kathodischen und einen anodischen Gasraum umfassen,
der sich zwischen der Kathode (positive Elektrode) bzw. Anode (Brennstoffelektrode) und je
einem mit Prägedruck versehenen Kollektor erstreckt, wobei diese Gasräume von einem gasförmigen
kohlenstoffhaltigen Brennstoff bzw. Luft im Betrieb in gleicher Strömungsrichtung versorgt
werden und jeder Kollektor für zwei benachbarte Zellen wirk·, indem er mit seinen Prägevorsprüngen
auf der Kathode einer Zelle und der Anode einer anderen Zelle anliegt, dadurch gekennzeichnet,
daß im Elektrolytraun) eine Elektrolyt speichernde Separatormembran (12) angeordnet ist,
welche so wellenförmig geprägt ist, daß sie abwechselnd gegen die Kathode (2) und die Anode
(3) anliegt, und daß oberhalb des Elektrolytraums ein Kondensator angebracht ist, der zwei Wände (8, 9)
besitzt, zwischen denen Kühlluft (F 1) strömt, daß die beiden Kollektoren (10, 11) nach oben bis an den
oberen Rand des Kondensators verlängert sind, daß die Separatormembran (12) in ebener Form
ebenfalls bis an den oberen Rand des Kondensators verlängert ist und zwischen einer Wand (9) des
Kondensators und einem Kollektor (10) bzw. zwischen zwei Kollektoren (10' 11') eingelegt ist, daß
die Anode (3) mit Mitteln zum Fixieren der während des Reaktionsprozesses mit dem Elektrolyten
gebildeten Karbonate versehen ist und daß Mittel zum Einschalten einer Pumpe (53) zum Entleeren des
Elektrolytraums vorgesehen sind.
2. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fixierer in Torrn einer
Schicht (3") auf der inneren Oberfläche der Anode (3) angeordnet ist.
3. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fixierer innig mit dem
Katalysator der Anode (3) gemischt ist.
4. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, mit
denen die Karbonate in Form von Kohlendioxyd abgeschieden werden, einerseits aus einem sauren
Puffer bestehen, dessen Konzentration von 0,01 bis einigen Mol pro Liter gelöst in der wäßrigen Lösu ig,
die den Elektrolyten (6) bilden, variiert, wobei der saure Puffer sich mit dem Fixierer bindet und dabei
die Karbonate in Form von Kohlendioxyd abscheidet, und andererseits aus einem neutralen Salz
bestehen, das die Diffusion der an der Kathode gebildeten Hydroxydionen durch Verringerung ihrer
Transportzahl begrenzt.
5. Brennstoffbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Puffer um das
System Essigsäure-Azetat, das System Borsäure-EIorat
oder das System Hydrogenorthophosphat-Dihydrogenorthophosphat handelt.
6. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem
neutralen Salz um ein Alkali-Halogenid oder -Sulfat handelt, vorzugsweise um Kaliumchlorid oder
Kaliumsulfat.
7. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der anodenspezifische
Katalysator (3) pulverförmigen Kohlenstoff, Kohlenstoffasern sowie mindestens ein Metall aus
der Gruppe der Platinmetalle enthält.
8. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem
Brennstoff um Methanol oder einen Kohlenwasserstoff wie Erdgas handelt
9. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung
des Zeitpunktes des Einschaltens der Pumpe (53) zum Entfernen des Elektrolyten ein Coulombmeter
vorgesehen ist.
10. Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung
des Zeitpunkts des Einschaltens der Pumpe (53) zum Einfüllen des E'ektrolyten ein Kohlendioxydgasdruckmesser
vorgesehen ist.
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