DE2736884C2

DE2736884C2 - Brennstoffzelle mit einer Elektrolytspeichermatrize

Info

Publication number: DE2736884C2
Application number: DE2736884A
Authority: DE
Inventors: Paul Erling West Hartford Conn. Grevstad
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1976-09-01
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1986-03-20
Also published as: NL184400B; CA1082304A; AU2771877A; NL184400C; IL52658A; BR7705803A; DK150425C; FR2363906A1; JPS5858785B2; DK351177A; DE2736884A1; NL7708905A; JPS5330747A; IL52658A0; ES461985A1; AU505787B2; BE857993A; DK150425B; SE437445B; FR2363906B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und insbesondere auf die Regelung des Elektrolytvolumens einer Brennstoffzelle.

In der Brennstoffzelle befindet sich der Elektrolyt zwischen zwei Elektroden. Diese Elektroden umfassen oft ein Substrat und einen Katalysator; das Substrat dient nur als Katalysatorträger und muß so gestaltet sein, daß während dem Betrieb der Katalysator in ständiger Berührung mit dem Elektrolyten ist. Die Elektrode muß ebenfalls so beschaffen sein, daß das Reaktionsmittel, wie z. B. Wasserstoffgas in das Substrat eindringen kann.

Im bekannten Stand der Technik wird allgemein angenommen, daß das Reaktionsmittel, der Katalysator und der Elektrolyt in einem Dreiphasenkontakt stehen und zwar an der Stelle an welcher die elektrochemische Reaktion stattfindet Bekannte Elektroden, z. B. jene, welche in den, in den US-Patenten 29 69 315 und 29 28 783 beschriebenen Zellen eingesetzt wurden, sind oft poröse Nickelelektroden, in denen der Katalysator gleichmäßig durch die Dicke der ganzen Elektrode verteilt vorliegt. In bekannten Zellen wurde der Elektrolyt zirkuliert, so daß Wasser außerhalb der Zelle beigefügt oder entzogen werden konnte. Dadurch konnte das Elektrolytvolumen in der Zelle relativ konstant gehalten werden. Auf jeden Fall zogen geringe Veränderungen des Elektroytvolumens nur eine Veränderung der Lage der Dreiphasenzone innerhalb des Elektrodensubstrates nach sich. In neueren Zellen befindet sich der Elektrolyt in einer zwischen den Elektroden angebrachten Matrize. In diesen Zellen wird das Wasser, das während dem Betrieb hergestellt wird, durch Verdampfung in einen der Reaktionsgasströme entfernt. Damit das Wasser in den Reaktionsgasstrom gelangt, muß es, in Form von Wasserdampf, die Elektrode durchqueren, jedoch darf die Elektrode nicht vollständig mit Flüssigkeit getränkt werden, da hierbei das Reaktionsgas nicht mehr in die Elektrode eindringen kann, um mit dem Elektrolyten im Bereich des Katalysators zu reagieren. Bemühungen, um diese Probleme zu vermeiden, führten zur Entwicklung von biporösen Elektro-

den. Eine solche biporöse Elektrode ist im US-Patent 30 77 508 beschrieben. Hiernach umfaßt die biporöse Struktur eine grobporige Schicht auf der Seite, die mit dem Gas in Berührung steht, und eine feinporige Schicht auf der Seite, die mit dem Elektrolyten in Berührung steht. Diese feinporige Schicht ist natürlich mit einem Katalysator aktiviert. Dies kann auch für die feinporige Schicht zutreffen, obwohl dies nicht erforderlich ist Durch die hohen Kapillakräfte innerhalb der feinporigen Schicht wird der Elektrolyt in der Struktur zurückgehalten, wobei die grobporige Schicht von Elektrolyten frei bleibt und dadurch das Reaktionsgas immer in das Elektrodensubstrat eindringen kann. Die elektrochemische Reaktion findet ungefähr an der Grenze zwischen der grob und der feinporigen Schicht statt, an welcher eine Dreiphasenzone besteht. Jedoch waren die feinporigen Schichten jener früher oekannten Zellen im allgemeinen sehr dünn, so daß andere Mittel zur Regelung der Volumenveränderung des Elektrolyten benötigt wurden.

Innerhalb einer Elektrode, bei der ein Katalysator gleichmäßig durch das Substrat verteilt ist, spielt es keine Rolle, ob zum Beispiel der Elektrolyt die Hälfte oder dreiviertel der Elektrode füllt, da ein Katalysator sich immer an dem Übergang zwischen dem Elektrolyten und dem Reaktionsgas befindet Darum ist es notwendig, daß das Reaktionsgas den Teil der Elektrode, der nicht mit Elektrolyt gefüllt ist, durchziehen kann. Jedoch findet die elektrochemische Reaktion nur an der Dreiphasenzone statt, und ein Katalysator, der sich nicht in dieser Zone befindet, reagiert nicht und wird praktisch vergeudet Spätere Entwicklungen führten zu Elektroden, in weichen der Katalysator nicht durch das ganze Substrat verteilt war, jedoch als sehr dünne Schicht auf der Oberfläche des Substrates, die den Elektrolyten berührte, angebracht war. In einer solchen Elektrode müssen Gasdurchgänge vorgesehen sein, welche sich innerhalb des Substrates zu der Katalysatorschicht ausdehnen. Um sicher zu gehen, daß das Reaktionsgas die Katalysatorschicht erreicht, war es notwendig, ein hydrophobes Substrat zu benutzen, welches keine größere Menge Elektrolyt zurückgehalten kann und dadurch den Weg des Reaktionsgases durch das Substrat zur Katalysatorschicht nicht versperren kann. Dies ist eier verbreiteste Elektrodentyp der heutigen Brennstoffzelle^. Jedoch ist es in den Brennstoffzellen, in welchen kein Elektrolyt zirkuliert, noch immer notwendig überschüssiges Wasser durch Verdampfung in einen der Reaktionsgasströme zu entfernen und/oder die überschüssige Elektrolytmenge irgendwo in der Zelle aufzuspeichern, besonders bei Abschaltung, wenn der Wasserdampf innerhalb des Gasstromes zur Flüssigkeit kondensiert Bei hydrophilen Substraten würde der kondensierte Wasserdampf das Volumen des Elektrolyten vergrößern und einen Flüssigkeitsfilm auf der Rück- oder Innenseite des Substrates bilden, wodurch dieser Film den Gasfluß durch das Substrat beim Einschalten der Zelle verhindert

Lösungen zu den oben genannten Problemen wurden in den US-Patentschriften 37 79 811 und 39 05 832 beschrieben und dargelegt

Bei den bekannten Zellen wird eine poröse Elektrolytspeicherplatte in den Reaktionsgasstrom gestellt. Poröse Durchgänge bilden eine Elektrolytverbindung zwischen der porösen Platte und der Elektrode: Das Elektrolytvolumen der Brennstoffzelle wird durch die Bewegung des Elektrolyten durch die porösen Durchgänge geregelt wodurch die elektrochemische Leistung der Zelle stabilisiert und eine Überschwemmung der Elektrode verhindert wird. In der hier beschriebenen Form besteht die Elektrode aus einem leitenden Nickelgitter, welches in eine einheitliche Mischung aus Platin- und Polytetrafluoräthylen-Teilchen eingebettet ist. wodurch die Elektrode grundsätzlich hydrophob ist Gemäß US-Patent 39 05 832 liegt das hydrophile Elektrolytspeichermaterial an dem hydrophoben Elektrodensubstrat

Verbindungswege zwischen dem Speichermaterial und der Elektrolytmatrize werden dadurch erhalten, daß Löcher in aer Elektrode vorgesehen sind welche mit einem hydrophilen Material gefüllt sind, oder daß kleine Teile des Elektrodensubstrates hydrophil gehalten werden und einen Sickerweg zwischen der Elektrolytmatrize und dem Speichermaterial bilden. Hierdurch wird ein Speicher für überschüssigen Elektrolyten erhalten, ohne daß der Gasfluß durch die hydrophoben Flächen des Substrates wesentlich beeinträchtigt würde.

Obwohl die Erfindungen, die in den zwei vorhergehenden Patenten beschrieben wurden zufriedenstellende Resultate ergaben, hatten sie jedoch gewisse Nachteile wie z. B. eine an der Dicke umfangreichere Zelle. Ein weiterer Nachteil liegt in der Vergrößerung des Spannungsverlustes, der entweder durch verringerten Kontakt zwischen der Elektrode und der Trennplatte, oder durch zusätzliches Material entsteht durch das der elektrische Strom fließen soll. Größere Kosten sind ein weiteres Problem. Diese sind nicht nur durch die Kosten der Speicherschichten oder des Materials bedingt sondern auch durch größere Kosten der Elektrodenfabrikation, die durch diese Brennstoi'fzellenkonstruktion notwendig wurden.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle zu schaffen, in welcher Volumenänderungen des Elektrolyten ausgeglichen werden können und welche dünn, leicht herzustellen und relativ billig ist.

Gemäß dieser Erfindung ist eine der Elektroden der Brennstoffzelle mit einer Elektrolytschicht versehen und dem Elektrolyten zugewandten Seite eines gasporösen, vollständig hydrophilen Substrates vorgesetzt, welches auch einen Elektrolytspeicher bildet. In einer bevorzugten Form befindet sich dieses Substrat hiiiier den/ Anodenkatalysator.

Im Gegensatz zu bekannten Brennstoffzellen befindet sich keine separate Schicht eines Elektrolytspeichermaterials hinter dem Substrat, somit sind keine Löcher im Substrat notwendig, auch benötigt das Substrat keine spezielle Behandlungen zur Bildung von Sickerwegen von der Elektrolytmi.irize zu der Speicherschicht. Das Substrat die Elektrolytspeicherschicht) besteht aus hydrophilem Material, dessen Porengrößenbereich wahllos verteilt ist. Die kleineren Poren dienen als Speicher für überschüssigen Elektrolyten, wohingegen die gröberen Poren wesentlich frei von Elektrolyt bleiben und dadurch die nötigen Gasdurchgänge durch das Substrat zur Katalysatorschicht bilden.

Zur Gewährleistung, daß die Elektrolytmatrize stets mit Elektrolyt gefüllt ist, sollten die Poren des Substrates nicht kleiner sein als die größten Poren der Matrize. Durch diese Konstruktion sind die Kapillarkräfte innerhalb des Substrates geringer als die Kapillarkräfte innerhalb der Matrize. Deshalb gelangt kein Elektrolyt in das substrat, es sei denn, es *äre genügend Elektrolyt vorhanden und die Matrize wäre voll. Andererseits, falls sich

das Elektrolytvolumen innerhalb der Zelle verringert, wird sich der Elektrolyt vom Substrat in die Matrize entleef en, wobei die Austrocknung der Matrize verhindert wird.

Man hat zur Überraschung gefunden, daß ein poröses, hydrophiles Substrat, dessen Porengrößenbereich wahllos verteilt ist, genügend Porosität behält, auch wenn es teilweise mit Elektrolyt gefüllt ist, so daß das Reaktionsgas das Substrat senkrecht zu seiner Dicke leicht durchquert, ohne daß hierzu hydrophobe Flächen benötigt würden. Es wurde z. B. gefunden, daß eine Anzahl Kohlenstoffpapiere, welche einen großen Porengrößenbereich aufweisen, sich gut als Elektrolytspeicher sowie als Elektrodensubstrate eignen.

Gemäß einer bevorzugten Aiisführungsform befindet sich die obengenannte Elektrolytspeicherschicht hinter

der Anodenkatalysatorschicht, wobei das Substrat bzw. die Schicht hinter der Kathodenkatalysatorschicht ebenfalls porös und völlig hydrophil ist. Die Porengröße dieser Schicht wird so gewählt, daß sie größer ist als diejenige der Schicht hinter dem Anodenkatalysator, so daß sie während dem Betrieb fast trocken bleibt und die Volumenänderungen der Flüssigkeit durch die hinter dem Anodenkatalysator angeordnete Speicherschicht aufgenommen werden. Bei Abschaltung der Zelle kann sie die großen Wassermengen, welche aus der sie umgebenden Atmosphäre kondensieren, aufsaugen und speichern. Beim Einschalten entleert sie sich schnell und erlaubt so dem Oxydationsmittel einen bequemen Durchgang zum Katalysator.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und auf die beiliegende Figur, welche einen Querschnitt der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

Mit Bezug auf die Figur umfaßt die Brennstoffzelle 10 eine Elektrolytmatrize 12, eine Anode 14, eine Kathode 16 und Trennwände 18, 20. Eine solche Brennstoffzelle kann mit Phosphorsäure als Elektrolyten betrieben werden, jedoch eignet sich die Erfindung ebenfalls für Brennstoffzellen, welche mit anderen Elektrolyten wie Kaliumhydroxyd oder geschmolzenem Karbonat betrieben werden.

Die Anode 14 umfaßt eine Katalysatorschicht 22, welche an eine Speicherschicht 24 gebunden ist; somit ist die Speicherschicht gemäß dieser Ausführungsform ebenfalls das Elektrodensubstrat. Die Trennplatte 18 umfaßt eine Zentralzone 26 und eine Randzone 29. Die Zentralzone liegt in einem Abstand von der Speicherschicht 24, wobei eine Brennstoffkammer 28, in welche Wasserstoff oder andere passende Brennstoffe eingeführt werden können, gebildet wird. In einer Brennstoffzellenanlage würde sich auf der, der Brennstoffkammer abgewandten Seite der Trennplatte 18 die Oxydationsmittelkammer der anliegenden Zelle befinden. Der Teil der Speicherschicht 24, welcher direkt dem Brennstoff in der Brennstoffkammer 28 ausgesetzt ist, wird als aktiver Teil 30 der Speicherschicht bezeichnet. Der Teil der Katalysatorschicht, welcher an den aktiven Teil 30 stößt, wird als aktive Fläche der Katalysatorschicht bezeichnet. Der aktive Teil 30 ist gegenüber dem Elektrolyten hydrophil, porös, und umfaßt keinen Katalysator oder hydrophobes Material. Die Katalysatorschicht 22 ist nur auf die Oberfläche aufgebracht, hierbei kann ein leichtes Eindringen dieser Katalysatorschicht in die Oberflächenporen der Speicherschicht nicht vermieden werden. Die Speicherschicht 24 kann aus einem beliebigen porösen, hydrophile elektrisch leitfähigen, mit Bezug auf den Elektrolyten inertem Material bestehen. Bekanntes Kohlenstoffpapier läßt sich gut als Speichermaterial für Brennstoffzellen, die als Elektrolyt Phosphorsäue enthalten, verwenden. Die Katalysatorschicht 22 besteht aus Katalysatorpartikeln, welche mit einem hydrophoben Material wie Polytetrafluoräthylen verbunden werden. Als Katalysator wird Platin auf einem partikularen Kohienstoffträgcr bevorzugt. Die Zusammensetzung der Katalysatorschicht ist nicht wichtig für diese Erfindung und beliebige bekann te Katalysatorschichtzusammensetzung oder eine neu entwickelte Katalysatorzusammensetzung kann in dieser Erfindung eingesetzt werden.

Nach dem bekannten Stand der Technik ist es wichtig, daß die Matrize 12 sowohl während der» Betrieb als auch während der Stillegung stets vollständig mit Elektrolyt gefüllt ist. Deshalb wird vor der ersten Inbetriebnahme genügend Elektrolyt in die Brennstoffzelle eingeführt daß die Matrize wenigstens ganz gefüllt wird. Während dem Betrieb entsteht in der Brennstoffzelle Wasser das den Elektrolyten verdünnt und so sein Gesamtvolumen über dasjenige, welches in der Matrize gespeichert werden kann, hinaus vergrößert Außerdem kann, wenn die Zelle abgeschaltet wird, das Flüssigkeitsvolumen sich um das 2 bis 3fache vergrößern, da sie Wasserdampf aus der Atmosphäre und aus den Brennstoffkammern aufnimmt Dieses überschüssige Flüssigkeitsvolumen muß eine Ausweichmöglichkeit haben. Die Speicherschicht 24 liefert diesen Raum innerhalb ihrer so Poren. Die Übertragung dieser überschüssigen Flüssigkeit, die sich in der Matrize 12 aufbaut, muß durch die Katalysatorschicht 22 geschehen. Um sicher zu gehen, daß die Flüssigkeitsübertragung zwischen der Matrre 12 und der Speicherschicht 24 in beiden Richtungen gewährleistet ist, sind Löcher 34 in der Katalysatorschicht, vorgesehen. Diese Löcher sind vorzugsweise mit hydrophilem Matnzenmaterial gefüllt Obwohl bei dieser Ausführung öffnungen durch die Katalysatorschicht 22 vorhanden sind, wurde gefunden, daß diese öffnungen in vielen Fällen nicht notwendig sind, da die KataJysatorschicht 22 sowohl hydrophile als auch hydrophobe Poren aufweist Versuche haben gezeigt, daß gewöhnlich eine genügende Elektrolytübertragungsfähigkeit durch die hydrophilen Poren der Katalysatorschicht besteht Auf jeden Fall können die öffnungen einfach als Vorsichtsmaßnahme eingeführt werden.

Die Flüssigkeitsübertragung innerhalb der Brennstoffzelle geschieht durch Kapillarkräfte. Je feiner die Poren umso größer die Kapillarkraft und umso größer die Fähigkeit Flüssigkeit zu speichern. Da die Matrize 12 immer mit Elektrolyt gefüllt bleiben muß, muß sie feinere Poren aufweisen als die Speicherschicht 24, sonst würde der Elektrolyt der Matrize 12 in die Poren der Speichereinheit eindringen und somit die Matrize teilweise entleeren.

Im Einklang mit dieser Erfindung sind im wesentlichen alle Poren der Speicherschicht 24 grober als die Poren der Matrize; somit werden die Poren der Speicherschicht sich erst füllen nachdem die Matrize gefüllt ist und sich in die M atrize entleeren, wenn das Flüssigkeitsvolumen der Zelle abnimmt

Während dem Betrieb der Zelle muß das Wasserstoffgas oder andere Brennstoffgase die Speicherschicht 24 zu der Katalysatorschicht 22 hin durchqueren. Nach dem bekannten Stand der Technik mußten die Schichten, die die Brennstoffkammern von der Katalysatorschicht trennten, entweder mit Löchern oder hydrophoben

Flächen versehen werden, um einwandfreie Gasdurchgänge zu gewährleisten. Jedoch wurde unerwarteter Weise gefunden, daß dies nicht notwendig ist. Es wurde gefunden, daß die Speicherschicht 24, deren Dicke die Dicke der bekannten Elektrodensubstrate nicht übersteigen darf, in seinen feineren Poren eine genügende Speicherkapazität aufweist, so daß das überschüssige Flüssigkeitsvolumen gespeichert werden kann und die gröberen Poren leer bleiben und so einwandfreie Durchgänge gewährleisten, damit das Gas aus der Brennstoffkammer durch die Speicherschicht zu der Katalysatorschicht gelangen kann. Dies trifft auch auf die Kohlenstoffpapiere zu, die einen großen Bereich von Porengrößen aufweisen. Es wird angenommen, daß andere poröse Elektrodensubstratmaterialien mit ähnlichen Porenspektren eine befriedigende Leistung ergeben, wie z. B. poröse hydrophile Kunststoffe (Polysulfon welches behandelt wurde um es benetzbar zu machen); gesinterte Metalle können in Basenelektrolytzellen eingesetzt werden.

Versuche mit Zellen, gemäß dieser Erfindung ergaben, daß ein zufriedenstellender Betrieb erwartet werden kann, wenn die Speichereinheit bis zu 60% mit Elektrolyt gefüllt ist. Dies entspricht für die in den Versuchen eingesetzten Zellen etwa dem zwei- bis dreifachen Füllvolumen bei Normalbetrieb. Dies besagt jedoch nicht, daß die Füllung der Speicherschicht keinen Einfluß auf die Verteilung des Brennstoffes in die Katalysatorschicht hätte, jedoch sind die Diffusionseigenschaften des Wasserstoffes so, daß die Anodenseite der Brennstoffzelle gegenüber verringerter Verfügbarkeit von Brennstoff nicht empfindlich ist. Die Dicke der Speicherschicht ist von Faktoren wie der maximal erwarteten Flüssigkeitsmenge, der Porosität des eingesetzten Materials, und einem annehmbaren Sicherheitsfaktor abhängig. Diese Dicke kann genau durch Fachleute festgelegt werden.

Die Kathode ist gegenüber verringerter Verfügbarkeit von Oxydationsmittel nicht so tolerant als die Anode gegenüber verringerter Verfügbarkeit von Wasserstoff. Aus diesem Grunde ist die Elektrolytspeicherung hinter dem Anodenkatalysator einer Speicherung hinter dem Kathodenkatalysator vorzuziehen. Eine normale wasserabstoßende Kathode kann zusammen mit der Anodenspeicherschicht der vorliegenden Erfindung für viele Anwendungen eingesetzt werden. Jedoch soll die Substratschicht hinter der Kathode bevorzugt Elektrolyt beim Abschalten der Zelle, wenn sich das Elektrolytvolumen bis auf das mehrfache seines Betriebsvolumens infolge der Verdampfung der Flüssigkeit aus einer feuchten Atmosphäre vergrößert, speichern. Somit weist in der bevorzugten Ausführungsform der F i g. 1, die Kathode 16 auch ein nicht wasserabstoßendes Substrat 38 auf, an welches eine Katalysatorschicht 39 gebunden ist. Die Trennplatte 20 umfaßt einen zentralen Teil 21 in einigem Abstand vom Substrat 38, wobei so eine Oxydationsmittelkammer 40 gebildet wird. Der Teil des Substrates 38, der dem Oxydationsmittel in der Kammer 40 direkt ausgesetzt ist, wird als aktiver Substratteil 44 bezeichnet. Der Teil der Katalysatorschicht 39, der an den aktiven Teil 44 angrenzt, ist die aktive Fläche der KatalysatorscMcht. Wie bereits angegeben ist das Substrat 38 nicht zum Zwecke vorgesehen, überschüssigen Elektrolyten während dem Betrieb der Zelle zu speichern und wird deshalb nicht als Speicherschicht bezeichnet. Jedoch weist dieses Substrat wie die Speicherschicht 24 und im Gegensatz zum früheren Stand der Technik, kein wasserabstoßendes oder hydrophobes Material in seinem aktiven Teil 44 auf; es unterscheidet sich von der Speicherschicht 24 nur durch die Tatsache, daß ein Großteil der Poren (je mehr desto besser) im aktiven Teil größer sind als die Poren des aktiven Teils 30 der Speicherschicht 24 welche sich während dem Betrieb der Zelle mit Elektrolyt füllen. Dies besagt, daß der aktive Teil des Substrates 38 einige Poren aufweisen kann, welche feiner sind als die gröbsten Poren des aktiven Teiles 30 der Speicherschicht 24 jedoch bleiben die meisten dieser feineren Poren während dem Betrieb der Zelle trocken, da der größte Teil der erwünschten Elektrolytspeicherung, während dem Betrieb der Zelle, in den noch feinere Poren der Speicherschicht erhalten wird. Nur beim Abschalten ist genügend Flüssigkeitsvolumen vorhanden um die gröberen Poren des aktiven Teils des Substrates zu füllen. Auf diese Art und Weise gelangt der überschüssige Elektrolyt zuerst in die Speicherschicht 24 und nicht in das Substrat 38. Das Substrat 38 kann jedoch große Flüssigkeitsmengen bei Abschaltung der Zellen aufnehmen. Bei der Inbetriebnahme entleert sich das substrat 38 zuerst, da es die größten Poren aller vorhandenen Elemente aufweist

Das Wort Substrat bezeichnet normalerweise die Schicht hinter dem Katalysator; an welche der Katalysator gebunden ist, jedoch zum Zwecke dieser Beschreibung einschließlich der Patentansprüche ist die Speicherschicht 24 auch ein Substrat, und das Substrat bezeichnet auch die Schicht hinter der Katalysatorschicht unabhängig davon, ob die Katalysatorschicht daran gebunden ist oder nicht So wäre die Schicht 38 ein Substrat, sogar wenn die Kathodenkatalysatorschicht 39 an die Oberfläche der Matrize 12 und nicht an die Schicht 38 gebunden wäre.

Gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung umfassen die Speicherschicht 24 und das Substrat 38 jeweils abdichtende Randteile 48 bzw. 50. Diese abdichtenden Randteile sind zwischen den Endteilen 52 der Matrize 12 und den Endteilen 29,54 der Trennplatten 18 respektiv 20 eingeklemmt Die abdichtenden Teile 48,50 sind mit Matrizenmaterial getränkt, so daß die Porengrößenverteilung der abdichtenden Teile der Verteilung in der Matrize 12 ähnlich ist Somit sind die abdichtenden Teile 48,50 stets mit Elektrolyt gefüllt solange die Matrize 12 mit Elektrolyt gefüllt ist Dabei werden nasse Abdichtungen auf den Oberflächen 56, 58, 60 und 62, wie im US-Patent 38 67 206 beschrieben, erhalten. Die Abdichtungen verhindern das Entweichen von Reaktionsgas aus dem Innern der Zelle. Jedoch hängt die vorliegende Erfindung nicht von dem Typ der Abdichtungen, welche hier beschrieben werden, ab, andere Abdichtungsmittel können auch eingesetzt werden.

Diese Erfindung bringt etliche Vorteile gegenüber dem bekannten Stand der Technik. So z. B. schließt sie kostenspielige Schritte, wie die Herstellung wasserabstoßender Elektrodensubstrate, damit diese wenigstens an auserwählten Punkten hydrophob sind, um Gasdurchgänge zu sichern, aus. Die Speicherschicht dient auch als Elektrodensubstrat, so daß die Notwendigkeit von separaten Substrat- und Speicherschichten entfällt Im Vergleich zu Strukturen, weiche separate Speicherschichten hinter der Elektrodensubstratschicht aufweisen, sind die Diffusionsverluste von Wasserdampf wesentlich niedriger, da der Waserstoffstrom nur durch die Speicherschicht zum Katalysator und nicht durch eine Speicherschicht und ein Elektrodensubstrat diffundiert Auch können Zellengewicht und Dicke verringert werden da die Speicherschicht allein nicht dicker ist oder

bevorzugt weniger dick ist als die Kombination eines Substrates und einer Speicherschicht. Als Alternative kann die Elektrolytspeicherfähigkeit für eine gegebene Dicke einer Zelle vergreifen wefden. Die Tafel 1 gibt Eigenschaften der verschiedenen Kohlenstoffpapiere an, die als Speicherschicht gemäß dieser Erfindung untersucht wurden. Es ist bemerkenswert, daß die mittlere Porengröße für die verschiedenen Papiere zwischen 14 und 83 μηι liegt und daß eine breite Porengrößenverteilung sowie eine enge Porengrößenverteilung vergleichbare, befriedigende Resultat lieferten. Die Matrize und Randabdichtungen, welche in den Zellen, welche diese Substrate und Speicherschichten aufwiesen, eingesetzt wurden, hatten Porengrößen von 1,0 bis 5,0 μηι.

Tafel 1

Kohlenstoffpapiere, die als Brennstoffzellenelektrolytspeicher, gemäß dieser Erfindung,
eingesetzt wurden

	A	Mittlere Porengröße	Porengrößenbereich	Beispiel	Max.	I	Poro	Dicke
15	B	(μπι)	(μπι)		110	sität	(μπι)
	C		Min.		85	(%)
	D	83	60	86	80	483
	E	41	19	86	75	356
20	F	59	42	82	85	38 i
	G	59	39	83	86	457
	H	14,4	2,5	75	82	330
		16	3	88	83	381
	14	6	75	406
25	17	3	88	406

In einem Versuch bestanden die Anodenspeicherschicht und das Kathodensubstrat aus Kohlenstoffpapier (mit B in Tafel 1 bezeichnet). Die Anodenspeicherschicht war nicht wasserabstoßend, wohingegen das Kathodensubstrat mit einer Beladung von 4 mg/cm² Polytetrafluorethylen (PTFE) wasserabstoßend gestaltet wurde. Die Matrize enthielt 96% Siliziumkarbid und 4% PTFE, war 254 μπι dick und hatte eine durchschnittliche Porengröße von 2 μπι. Die Leistung der Zelle war der anderen Leistung mit konventionellen wasserabstoßenden Anodensubstraten ebenbürtig.

Beispiel II

in einer weiteren Zelle bestand die Speicherschicht hinter der Anodcnkatalysatorschicht aus Kohlenstoffpapier (C in Tafel 1) und umfaßte kein hydrophobes wasserabstoßendes Material. Das Kathodensubstrat bestand aus Kohlenstoff papier (E in der Tafel 1) und war mit 4 mg/cm² PTFE wasserabstoßend gestaltet. Die Matrize war die gleiche wie in Beispiel I. Diese Zelle wies die gleiche Leistung wie Zellen mit konventionellen Elektroden und wasserabstoßenden Substraten auf.

Beispiel III

Eine ausschließlich hydrophile Zelle wurde auch untersucht. Die Anodenspeicherschicht war aus Kohlenstoffpapier (B in Tafel 1) und nicht wasserabstoßend. Das Kathodensubstrat bestand aus Kohlenstoffpapier (A der Tafel 1) und war nicht wasserabstoßend.

Die in den Beispielen I und Il beschriebene Matrize wurde eingesetzt und die Ränder der Anodenspeicherschicht und dem Kathodensubstrat waren mit Siliziumkarbid/PTFE getränkt um nasse Abdichtungen zu bilden. Auf die Ähnlichkeit der Porengröße zwischen der Anodenspeicherschicht und dem Kathodensubstrat wird hingewiesen. Dies stellte keine Probleme dar, da während dem Betrieb der Zelle die feineren Poren der teilweise gefüllten Anodenspeicherschicht das Kathodensubstrat wesentlich trocken hielten. (Der Elektrolytgehalt in der Kathode betrug weniger als 5% des Porenvolumens, mit Bezug auf die Porenspektren der Anode und der Kathode). Obwohl die Zellenleistung nur ungefähr 95% der Leistung einer konventionellen Zelle mit wasserabstoßenden Anoden und Kathoden betrug, wird nicht angenommen, daß die niedrigere Leistung dieser Erfindung zuzuschreiben ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffzelle bestehend aus einer Elektrolytspeichermatrize, einer Anodenkatalysatorschicht auf einer Seite dieser Matrize und einer Kaihodenkatalysatorschicht auf der anderen Seite der Matrize, wobei jede Katalysatorschicht auch eine mit der Matrize in Berührung stehende aktive Zone umfaßt, gekennzeichnet durch eine Speicherschicht (24), welche einen aktiven Teil (30) in unmittelbarem Kontakt mit der ganzen der Matrize abgewandten Seite einer Katalysatorschicht (22) aufweist, wobei die aktive Zone (30) der Sperrschicht (24) kontinuierlich porös, mit Bezug auf den Elektrolyten hydrophil im wesentlichen frei von Katalysator und hydrophobem Material ist, wobei die aktive Zone (30) der Speicherschicht (24) einen wahllos

ίο verteilten Porengrößenbereich aufweist und im wesentlichen mit Bezug auf die gröbsten Poren der Matrize keine feineren Poren umfaßt.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorschicht (22) an die Speicherschicht (24) gebunden ist.

3. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 —2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorschicht eine Anzahl regelmäßig verteilter Durchgänge umfaßt, welche die Matrize (12) und Speicherschicht (24) untereinander verbinden.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Durchgänge aus Öffnungen (34) in der Katalysatorschicht (22) bestehen.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (34) mit hydrophilem Material gefüllt sind.

6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophile Material hauptsächlich aus Mattizenmaterial besteht

7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist

8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 —7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht (24) aus Kohlenstoffpapier besteht

9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1—8, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize einen Phosphorsäureelektrolyten «mfaßt

10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1—9, gekennzeichnet durch ein Substrat (38) mit einem aktiven Teil (44) in unmittelbarem Kontakt mit der ganzen der Matrize abgewandten Seite der aktiven Fläche der Katalysatorschicht (39) wobei der aktive Teil (44) des Substrates (38) porös, mit Bezug auf den Elektrolyten hydrophil und wesentlich frei vom Katalysator und hydrophobem Material ist, und der aktive Teil (44) des Substrates (38) einen wahllos verteilten Porengrößenbereich aufweist, wobei die meisten Poren grober als die gröbsten Pora.ii des aktiven Teiles (30) der Speicherschicht (24) sind.

11. Brennstoffzelle, nach einem der Ansprüche 1—10, welche ferner eine Trennplatte mit einem zentralen Teil und einem Randteil, wob k der zentrale Teil in einigem Abstand von der Speicherschicht angeordnet ist und so eine Brennstoffkammer gebildet wird und eine zweite Trennplatte mit einem zentralen Teil und einem Randteil, wobei der zentrale Teil in einigem Abstand vom Substrat angeordnet ist und so eine Oxydationsmittelkammer gebildet wird, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht (24) und das Substrat

(38) Randabdichtungszonen (48,50) umfassen, wobei die abdichtenden Randzonen (48) der Speicherschicht (24) zwischen der Matrize (12) und den Randteilen (29) der ersten Trennplatte (18) und wobei die Randzonen (50) des Substrates (38) zwischen der Matrize (12) und dem Randteil (54) der zweiten Trennplatte (20) eingeklemmt sind und wobei die abdichtenden Teile porös, mit Bezug auf den Elektrolyten hydrophil sind und einen Porengrößenbereich aufweisen welche? dem Bereich der Matrize ähnlich ist.