DE3011745C2

DE3011745C2 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE3011745C2
Application number: DE3011745A
Authority: DE
Inventors: Bernard S. Brookfield Center Baker
Original assignee: Energy Research Corp
Current assignee: Fuelcell Energy Inc
Priority date: 1979-03-27
Filing date: 1980-03-26
Publication date: 1983-04-28
Also published as: GB2047457B; GB2047457A; JPS55130077A; FR2452800A1; US4276356A; FR2452800B1; CA1139832A; DE3011745A1; AR224147A1; BR8001827A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend eine negative Elektrode, eine positive Elektrode, wobei beide Elektroden ein wasserdichtes Bindermaterial enthalten, und ein Matrixteil, das den Elektrolyten trägt und zwischen den Elektroden angeordnet ist

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Anstrengungen zur Entwicklung gewerblich brauchbarer Brennstoffzellen unternommen. Eine Brennstoffzelle enthält typischerweise zwei räumlich voneinander getrennte Elektroden, zwischen denen ein ionentragender Elektrolyt angeordnet ist und denen Brennstoff- bzw. Oxidations-Reaktionsgase zugeführt werden. In einer Brennstoffzelle dieses Typs ist die geeignete Wahl des Ionen enthaltenden Elektrolyten wesentlich, wenn die Brennstoffzelle zufriedenstellend arbeiten soll. Zu diesem Zweck hat es sich als vorteilhaft erwiesen, starke Säuren, wie beispielsweise H₂SO₄ und H3PO4 als Zellelektrolyt zu verwenden, da diese Säuren Energieverluste, die durch Polarisation und Elektrolytenwiderstände hervorgerufen werden, auf ein Minimum herabsetzen. Jedoch wird es mit so einer flüssigen Säure als Zellelektrolyt schwierig, den Elektrolyten zwischen den Zellelektroden aufzunehmen. Zwar sind feste elektrolytische Teile verfügbar, jedoch weisen diese Teile im allgemeinen einen größeren Widerstand auf, als die vorstehenden flüssigen Säureelektrolyten. So lassen sich diese festen Elektrolyte zwar bequemer zwischen den Zellelektroden aufnehmen, jedoch verhindert ihr erhöhter Widerstand jegliche bedeutende Verbesserung des Zellbetriebs im Hinblick auf den mit flüssigen Säureelektrolyten verwirklichbaren.

Um eine hohe Ionenleitfähigkeit dank der flüssigen Säureelektrolyten ζυ erzielen, wurden Matrixteile

entwickelt die die flüssigen Säureelektrolyte in geeigneter Weise tragen. Bei derartigen Matrixteilen ist der Säureelektrolyt in das Teil eingeschlossen und wird daher daran gehindert, zwischen den Zellelektroden auszuströmea Darüber hinaus wirkt das Matrixglied als eine Grenze, um ein Zusammenführen der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase, die den Elektroden zuge speist werden, zu verhindert

Die US-PS 35 75 718 beschreibt eine Art von Matrixteil, in dem das Teil zwei benachbart angeordnete Schichteil enthält wobei in jeder eine konzentrierte flüssige Säure immobilisiert ist wobei eine an die Zeilkathodenelektrode und die andere, die an die Zeilkathodenelektrode angrenzt

Die Schicht die an die Anodenelektrode angrenzt enthält (bezogen auf das Gewicht) 5—90% Kohlenstoffpulver und 5—90% Fluorkohlenstoffpolymergel. Das Kohlenstoffpulver dieser Schicht ist in Säuren stabil und weist eine wirksame Oberfläche von mindestens etwa 1 m²/g auf, um die Aufnahme eines erhöhten Säuregehalts zu ermöglichen. Dieser erhöhte Säuregehalt wird durch die Schicht geliefert und somit wird eine Matrix mit einer hohen ionischen oder elektrolytischen Leitfähigkeit bereitgestellt Die Schicht die an die Kathodenelektrode angrenzt die die dünnere der beiden Schichten ist enthält ihrerseits 70—95% von inerten, anorganischen, Nicht-Kohlenstoff-Verbindungen und 5—90% Fluorkohlenstoffpolymergel. Die inerten, anorganischen Verbindungen dieser zweiten Schicht weisen eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf und übertragen somit diese Eigenschaft auf die Matrix. Die inerten Verbindungen verhindern auch eine Deformation der Matrix und fördern den Einschluß der flüssigen Säure.

Die US-PS 40 00 006 und 40 17 664 beschreiben eine zweite Art von Matrixteil, in dem die Matrix in der Form einer einzigen Schicht vorliegt, die mindestens 90% Siliciumcarbid enthält Der Rest dieser Schicht wird aus einem Fluorkohlenstoffpolymeren gebildet, das als Bindemittel zur Verhinderung der Verschiebung der Schicht dient In dieser Matrix verleiht das Siliciumcarbidmaterial selbst der Matrix die gewünschten elektrolytischen, elektronischen und chemischen Stabilitätsei genschaften.

Aus der DE-AS 19 47 899 ist eine Brennstoffzelle mit einem zwischen einer Brennstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode liegenden Elektrolytkörper bees kannt wobei der Elektrolytkörper aus zwei Schichten aufgebaut ist, von denen die eine aus einem Fluorkohlenstoffpolymeren in Verbindung mit Kohlenstoff, und die zweite ebenfalls aus einem Fluorkohlenstoffpolyme- ■

ren in Verbindung mit einer anorganischen Verbindung besteht Ober die Porosität des Etektrolytkörpers und der Elektroden wird in der DE-AS nichts ausgesagt

Aus der DE-OS 25 26 582 ist eine Metall-Luft-Zelle mit einem zwischen der Metall- und der Luftelektrode s angeordneten, ständig elektrolyterfüllten porösen Diaphragma bekannt, wobei der Kapillardruck des Elektrolyten im porösen Diaphragma größer als in der porösen Luftelektrode und kleiner als in der porösen Metallelektrode ist

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Brennstoffzelle mit einem verbesserten Matrixteil, das eine hohe elektrolytische Leitfähigkeit und eine geringe elektronische Leitfähigkeit aufweist, und das dazu geeignet ist, den Durchtritt von Reaktionsgas beUiohen is Drücken zu verhindern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennstoffzelle der eingangs geschilderten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Matrixteil eine Schicht aufweist, deren mittlerer Porendurchmesser im wesentlichen gleich oder geringer ist als die mittlere Porengröße der Elektroden.

Die Matrix hat vorzugsweise einen Blasendruck von etwa 3,45 bar. Vorzugsweise enthält die Matrix neben der ersten Schicht eine benachbarte zweite Schicht, wobei die erste Schicht ein Kohlenstoffmaterial und die zweite Schicht ein Siliciumcarbidmaterial aufweist

Vorzugsweise enthält jede dieser Schichten darüber hinaus ein Bindemittelmaterial, wie beispielsweise ein Fluorkohlenstoffpolymeres. Darüber hinaus ist es bevorzugt, daß das Kohlenstoffmaterial eine wirksime Oberfläche (spezifische Oberfläche) von über etwa lOOmVg aufweist und eine Teilchengröße, die unter etwa 50 nm liegt Ist ein Bindemittelmaterial in jede der ersten und zweiten Schichten eingearbeitet, so sollte das Bindemittel vorzugsweise gleich oder weniger als 4% des Gesamtgehalts der Schicht betragen.

Bei der Anwendung wird die Matrix nach Sättigung mit dem Säureelektrolyten innerhalb der Brennstoffzelle in Sandwichform zwischen den Kathoden- und Anodenelektroden angeordnet Es hat sich gezeigt, daß die Konstruktion der ersten Matrixschicht eine ausgezeichnete Isolierung der diese Elektroden bespeisenden Gase ergibt, wobei eine derartige Isolierung in zufriedenstellender Weise bei Drücken, die etwa 3,45 bar erreichen, erhalten bleibt Darüber hinaus ergeben die ersten und zweiten Schichten zusammen eine hohe Ionenleitfähigkeit und die notwendige Stabilität unter hohen Temperaturen, wohingegen die zweite Schicht darüber hinaus eine geringe Elektronen- so leitfähigkeit ergibt Es wird so eine Gesamtbrennstoffzelle ermöglicht, die die gewünschte Leitfähigkeit, Stabilität und Gasisolationseigenschaften aufweist

Die vorstehenden und weiteren Merkmale und Gegenstände der Erfindung sind aus der folgenden genaueren Beschreibung in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.

F i g. 1 veranschaulicht eine Brennstoffzelle, in der sich ein Matrixteil gemäß einer ersten Durchführungsform der Erfindung befindet Die

Fig.2 und 3 zeigen Beispiele für den Auftrag der Brennstoffzellen-Ausgangsspannung gegen die Brennstoffzellenstromdichte für Brennstoffzellen, unter Verwendung von Matrizes in Übereinstimmung mit der Matrix der F i g. 1. Die

F i g. 4A und 4B stellen graphische Darstellungen dar, die die Frequenz der Säureelektrolytzugabe zu den jeweiligen Brennstoffzellen, unter Anwendung einer üblichen Matrix und einer Matrix gemäß der F i g. 1 zeigen und die

Fig.5 stellt eine graphische Darstellung der Brennstoffzellenausgangsspannung gegen den Brennstoffzellenstrom nach 1000 und 6000 Betriebsstunden einer Brennstoffzelle dar, unter Verwendung einer Matrix gemäß Fig. 1 und gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung.

Im folgenden wird die Erfindung genauer besclirieben.

Die Fig. 1 veranschaulicht eine Brennstoffzelle 1 unter Verwendung eines den Elektrolyten tragenden oder enthaltenden Matrixteils 2 gemäß den Prinzipien der Erfindung. Insbesondere ist die Matrix 2 mit einem starken flüssigen Säureelektrolyten gesättigt wie beispielsweise Phosphorsäure, und ist in sandwichartiger Anordnung zwischen einem Paar von räumlich getrennten, in üblicher Weise konstruierten Diffusionselektroden 3 und 4 angeordnet Die Elektroden-Matrixanordnung ist darüber hinaus zwischen einem Paar von Gastrennplatten 5 und 6 eingeschlossen, die auch den erzeugten Strom aufnehmen. Die Trennplatte 5 ist mit ihrer Vorderseite so angeordnet, daß sie in Beziehung mit der Elektrode 3 steht und mit dieser eine Brenngasreaktionskammer 7 bildet Das Brenngas wird in die Kammer 7 durch die Leitung 8 zugeführt, deren eines Ende ΛΑ mit der Kammer in Verbindung steht und deren anderes Ende SB mit der Brennstoffzufuhr 9 in Verbindung steht Die andere Trennplatte 6 ihrerseits ist mit ihrer Vorderseite zur Elektrode 4 angeordnet und bildet mit dieser eine Oxidationsreaktionsgaskammer 11. Die letztgenannte Kammer nimmt das Oxidationsgas durch eine zweite Leitung 12 auf, deren eines Ende 124 mit der Kammer in Verbindung steht und deren anderes Ende 12ß eine Verbindung mit einer Oxidationsgaszufuhr 14 herstellt

Verbrauchter Brennstoff tritt aus der Kammer 7 mittels eines Auslaßrohrs (nicht gezeigt) aus, und verbrauchtes Oxidationsmittel Sauerstoff und Stickstoff und produziertes Wasser treten aus der Kammer U mittels eines Abführungsrohres (nicht gezeigt) aus.

Erfindungsgemäß enthält die den Elektrolyten tragende Matrix 2 erste und zweite Schichten 2A und 2B, die aneinander angepaßt sind, um eine verbesserte Zeil-Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen und hohen Drücken zu ergeben. Insbesondere enthält gemäß der Erfindung eine der Schichten ein Kohlenstoffmaterial und die andere enthält ein Siliciumcarbidmaterial. Bei der hier veranschaulichten Ausführungsform ist die den Kohlenstoff enthaltende Schicht die zweite Schicht 2Bund liegt so benachbart zur Elektrode 4, die, wie ersichtlich, als Zeilkathodenelektrode dient Die Siliciumcarbidschicht ihrerseits dient als erste Schicht und grenzt somit an die Elektrode 3, die als Zellanodenelektrode fungiert

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die ersten und zweiten Schichten zusätzlich jeweils ein Bindemittelmaterial, das dazu dient, die jeweiligen Kohlenstoff- und Siliciummaterialien zu binden und die Aufnahme des Säureelektrolyten zu unterstützen. Ein bevorzugtes Bindemittelmaterial für diesen Zweck ist ein Fluorkohlenstoffpolymeres. Ein Beispiel für ein Fluorkohlenstoffpolymeres kann Polytetrafluorethylen (PTFE) sein.

Es hat sich gezeigt, daß die gemeinsame Anwesenheit der Siliciumcarbid enthaltenden Schicht 2A und der Kohlenstoff enthaltenden Schicht IB der Matrix 2 eine im wesentlichen hohe gesamtelektrolytische Leitfähig-

keit der Zelle ergibt. Außerdem hat sich gezeigt, daß die Kohlenstoff enthaltende Schicht 2ß einen ausgeprägten inhibierenden Effekt auf die Neigung der Gasreagentien in den Kammern 7 und 11 zum Übertritt und zur Vermischung miteinander ausübt. Dieser inhibierende Effekt ist besonders ausgeprägt und ergibt sich für hohe Blasendrücke, die etwa 3,45 bar erreichen, wenn Kohlenstoffmaterialien mit einer wirksamen Oberfläche (spezifischen Oberfläche) von über etwa 100 rnVg und einer Teilchengröße von weniger als 50 nm als Material der Schicht verwendet werden. Kohlenstoffe mit den vorstehenden Eigenschaften sind somit für die Schicht 2ß bevorzugt. Geeignete Kohlenstoffe sind im Handel erhältlich.

Kohlenstoffe, die wie vorstehend charakterisiert sind, ergeben den resultierenden übertritt-inhibierenden Effekt und führen zu hohen Blasendrücken aufgrund der relativ geringen (d. h. weniger als 0,2 μπι) mittleren bzw. durchschnittlichen Porengröße, die durch diesen Kohlenstoff eingenommen wird. Die nachstehende Tabelle I zeigt die mittleren Porengrößen für eine Anzahl üblicher Matrizes im Vergleich mit der erfindungsgemäßen Matrix. Die beiden ersten Matrixstrukturen sind faserartige, phenolische Strukturen, die erste aufgeführte Struktur enthält phenolische Fasern und die zweite Struktur eine phenolische Faser. Diese Strukturen weisen gemessene mittlere Porengrößen von 1 bis 0,3 μπι und gemessene Blasendrücke von 0,35—0,55 bar bzw. 0,89 bar auf.

Die nächste Matrix ist eine einzelschichtige Siliciumcarbidstruktur. Diese Matrix weist einen gemessenen Blasendruck von 0,35—0,69 bar und eine entsprechende Porengröße, hieraus abgeschätzt, von 0,4— 1,0 μΐη auf.

Die vierte Matrixstruktur ist eine einschichtige Siliciumcarbidmatrix des Beispiels der vorstehend erwähnten US-PS 40 00 006. Diese Matrix wurde in dieser PS als mit einem Blasendruck von 0,075—0,10 bar beschrieben, was einer geschätzten mittleren Porengröße von etwas weniger als 10 μΐη entspricht. Die letzte Matrix ist erfindungsgemäß zusammengesetzt. Diese Matrix weist eine gemessene mittlere Porengröße von 0,12 μΐη auf und ergibt einen resultierenden Blasendruck von 3,10 bar. Die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Matrix ist ersichtlich.

Tabelle I

Mittlere Porengrößen und Blasendrücke verschiedener Matrixstrukturen

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Typ	Mittlere Pr rengröße	Blasendruck
	(μηι)	(bar)
Phenolisch	1	0,35-0,55 55
Phenolisch	0,3	0,89
SiC	0,4-1,0	0,35-0,69
	(geschätzter Wert)
SiC	10	0,075-0,10 ₆₀
	(geschätzter Wert)
KohlenstofT/SiC	0,12	3.10

deutlich, daß 20% der Poren der erfindungsgemäßen Matrix Durchmesser von weniger als 0,04 μιη aufweisen. Der hohe Prozentsatz an kleinen Poren spielt auch eine Rolle bei der Bestimmung der hohen Blasendrücke, die durch die erfindungsgemäße Matrix erzielt werden, und diese Rolle ist besonders ausgeprägt, wenn die größten Poren Durchmesser aufweisen, die um eine Größenordnung geringer sind, als die Dicke der Kohlenstoffschicht.

Tabelle II

% Poren unter der angegebenen Porengröße

Porengröße	Phenolisch	KohlenstofT/SiC
0,9	10	80
0,1	8	43
0,04	7	20
0,01	3	3

Die nachstehende Tabelle Ii gibt einen weiteren Vergleich des Prozentsatzes der nachstehenden Porengrößen für die erfindungsgemäße Matrix der Tabelle 1 und eine Phenolfasermatrix an. Diese Tabelle zeigt Um den Abbau des den Übertritt inhibierenden Effekts zu verhindern, der durch die Schicht 2ß erzielt wird, wenn ein Fluorkohlenstoffpolymeres in die Schicht eingearbeitet ist, ist es bevorzugt, den Fluorkohlenstoff auf weniger als etwa 4% des Gesamtgehalts der Schicht zu begrenzen. Diese Fluorkohlenstoffmenge verschlechtert auch nicht die Benetzung der Schicht durch den Säureelektrolyten.

Wie vorstehend angezeigt, enthält die Schicht 2A Siliciumcarbid, das, wie vorstehend erwähnt, eine geringe Elektronenleitfähigkeit aufweist. So ergibt die Schicht 2/4 die notwendige Elektronenisolation zwischen den Zellelektroden 3 und 4.

Wie ersichtlich, hängt der jeweilige Gehalt der Matrix 2, der durch die Schichten 2/4 und 2B bereitgestellt wird, von den Ionen- und Elektronenleitfähigkeiten und dem für einen speziellen Anwendungszweck erforderlichen Blasendruck ab.

Beispiel 1

Eine Brennstoffzelle wurde aus Anoden- und Kathodenelektroden konstruiert, von denen jede aus Kohlenstoff und einer Überschicht aus Platin gebildet wurde, die bis zu etwa 10% des Gehalts der Elektrode betrug. Eine mit Phosphorsäure gesättigte Matrix wurde zwischen den Elektroden angeordnet und enthielt eine 0,010 cm Schicht von Siliciumcarbid und eine 0,025 cm Schicht von Kohlenstoff. Jede Schicht enthielt darüber hinaus ein PTFE-Bir.derr.itte! in einer Menge von 2,5% des Gehalts der Schicht. Die Matrix wurde mit der Kohlenstoffschicht benachbart zur Zellanodenelektrode und mit der Siliciumcarbidschicht benachbart zur Zeilkathodenelektrode angeordnet. Die Fig. 2 zeigt den resultierenden Spannungsausgang aus der Zelle nach 216stündigem Betrieb für verschiedene Zellstromdichten und zwei Oxidationmittel-Brennstoffgaskombinationen. In einem Falle war das Brennstoffgas Wasserstoff und das Oxidationsgas Sauerstoff. Im anderen Falle wurde erneut Wasserstoff als Brennstoffgas, jedoch Luft als Oxidationsgas verwendet. In beiden Fällen betrug die Zelltemperatur etwa 179° C.

Beispiel 2

Dieses Beispie! wurde durchgeführt unter Verwendung der gleichen Elektroden und Matrixkonfiguratio-

nen und Aufbereitungen, wie im vorhergehenden Beispiel, wobei jedoch die Silciumschicht benachbart zur Kathode und die Kohlenstoffschicht benachbart zur Anode war. Die resultierende Zellausgangsspannung nach 144stündigem Zellbetrieb bei verschiedenen Zellstromdichten ist in der Fig. 3 aufgetragen für die gleichen Brennstoff-Oxidationsgaskombinationen wie im Beispiel 1. Auch hier betrug die Zelltemperatur etwa 179° C.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wurden eine Brennstoffzelle unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Matrix und eine Brennstoffzelle unter Verwendung einer üblichen Matrix während langer Zeit (4000 Stunden) betrieben, und die Neigung jeder Matrix zum Verlust an Elektrolyt wurde festgestellt. Die erfindungsgemäße Matrix enthielt eine 0,015 cm dicke Siliciumcarbidschicht mit 2% PTFE-Bindemittel, benachbart zur Zellkathode. Die Kohlenstoffschicht war 0,020 cm dick und enthielt ebenfalls 2% PTFE-Bindemittel. Die übliche Matrix enthielt Phenolfasern und Phenolharz.

Die F i g. 4A und 4B zeigen die mittlere Zellspannung für einen offenen Kreis und die Ladungsbedingungen für die Phenolmatrixzelle bzw. für die erfindungsgemäße Zelle. Durch die vertikalen Pfeile in jeder Figur sind die Häufigkeiten (Male) angegeben, mit denen die Säure jeder Zelle zugesetzt werden mußte. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, benötigte die Zelle unter Verwendung der erfindungsgemäßen Matrix nach dem anfänglichen Zusatz von Säure lediglich eine weitere Säurezugabe während der gesamten 4000stündigen Betriebszeit. Im Gegensatz hierzu benötige die Zelle unter Verwendung der Phenolfasermatrix fünfmalige Säurezugaben während dieses Zeitraums.

Dies zeigt die überlegene Stabilität und die überlegenen Säurebeibehaltungseigenschaften der erfindungsgemäßen Matrix im Vergleich mit bekannten Fasermatrixstrukturen.

Erfindungsgemäß ist das Matrixteil 2 der Brennstoffzelle 1 so ausgelegt, daß es eine mittlere Porengröße aufweist, die im wesentlichen gleich oder geringer ist als die mittlere Porengröße der Zellelektroden 3 und 4. Bei der bevorzugten Durchführung dieses Merkmals der Erfindung wird das Teil 2, wie in der Fig. I geformt mit ersten und zweiten Schichten 2/4 und 2B, bestehend aus Siliciumcarbid bzw. Kohlenstoff, und die mittlere Porengröße der Kohlenstoffschicht 2ß der Matrix wird so gewählt, daß sie gleich oder geringer als die mittlere Porengröße der Elektroden ist.

Bei der üblichen Brennstoffzellenbauweise werden die Elektroden typischerweise mit einer Unterschicht aus Kohlenstoff gebildet, um das aktive Elektrodenmaterial zu stützen. So kann die vorliegende Erfindung leicht auf übliche Brennstoffzellkonstruktionen angepaßt werden, unter Verwendung des gleichen Kohlenstoffmaterials, sowohl für die Matrixschicht 2B, als auch den Kohlenstoffträger für die Kathodenelektrode 4.

Es hat sich gezeigt, daß die Wahl der mittleren Porengröße des Matrixteils 2 in der vorstehenden Weise Charakteristika für die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle ermöglicht, die in überraschender Weise von den Leistungsfähigkeitscharakteristika bekannter Brennstoffzellen abweichen. Insbesondere zeigt es sich, daß die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verbessert wird und nicht verschlechtert wird, wobei die Betriebszeit verlängert wird. Es wird angenommen, daß diese verbesserte Leistungsfähigkeit darauf beruht, daß der mittlere Porendurchmesser der Matrix, bezogen auf

κι den mittleren Porendurchmesser der Kathodenelektrode, dazu neigt, eine Wanderung der Matrixsäure in die Kathodenelektrode zu verhindern, wenn die Elektrode ihre Hydrophobizität zu verlieren beginnt.

Beispiel 4

Dieses Beispiel veranschaulicht ein weiteres Merkmal der Erfindung und wurde mit einer Brennstoffzellenbauweise wie im Beispiel 3 durchgeführt, worin das Material der Kohlenstoffschicht 2ß einen mittleren Porendurchmesser von weniger als 0,2 μιτι aufwies und das gleiche war, wie das Kohlenstoffmaterial, das als Unterschicht für die Kathoden- und Anodenelektroden verwendet wurde.

Die F i g. 5 zeigt die Brennstoffzellen-Ausgangsspannung gegen den Brennstoffzellstrom nach 1000 und 6000 Betriebsstunden. Wie ersichtlich, zeigt die Zellausgangsspannung eine Zunahme nach 6000 Betriebsstunden für alle Zeilausgangsströme. Diese Zunahme der Ausgangsspannung mit der Zeit weicht beträchtlich von üblichen Brennstoffzellen ab, bei denen im wesentlichen sämtliche eine Verringerung der Ausgangsspannung nach 5000 Betriebsstunden aufweisen.

Eine mögliche Erklärung für die Leistungsfähigkeit dieses Merkmals der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen kann in dem Zerfallsmodus der Zellen dieses Typs gesehen werden. Eine Erläuterung für diesen Zerfall liegt darin, daß er auftritt durch Beflutung der Kathodenelektrode mit dem Säureelektrolyter. Diese Beflutung bewirkt, daß der Sauerstoff in dem Oxidationsgas einen erhöhten Diffusionswiderstand erfährt und zu den Reaktionsstellen der Elektrode bewegt wird. Die Beflutung selbst kann ein Ergebnis der graduellen Oxidation des Kohlenstoffträgers in der Elektrode sein. Wenn der Kohlenstoff oxidiert wird, scheidet er sich von dem wasserdichten Polytetrafluoräthylenbindemittel, das in der Elektrode vorhanden ist, ab. Bei bekannten Brennstoffzellkonstruktionen würde unter derarigen Bedingungen der Säureelektrolyt durch Kapillarwirkung von der Zellmatrix zu den nun nicht-hydrophoben

so Teilen der Elektrode transportiert werden, wodurch diese beflutet würde, da die mittlere Porengröße der Matrix normalerweise größer ist als die mittlere Porengröße des Elektrodenkohlenstoffträgers. Gemäß der vorliegenden Praxis wird diese Beflutung vermieden, da die mittlere Porengröße der Matrix im wesentlichen gleich oder geringer ist als die des Kohlenstoffträgers. Daher ergibt sich keine treibende Kraft für den Transport der Säure in die Elektrode, selbst wenn die Elektrode ihre Hydrophobizität zu verlieren beginnt.

Hierzu 5 Biatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffzelle, umfassend eine negative Elektrode, eine positive Elektrode, wobei beide Elektroden ein wasserdichtes Bindematerial enthalten, und ein Matrixteil, das den Elektrolyten trägt und zwischen den Elektroden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixteil eine Schicht aufweist, deren mittlerer Porendurchmesser im wesentlichen gleich oder geringer ist als die mittlere Porengröße der Elektroden.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schicht ein Kohlenstoffmaterial umfaßt und die positive Elektrode eine Unterschicht aus diesem Kohlenstoffmateria! enthält

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schicht als Bindermaterial Polytetrafluoräthylen enthält

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die negative Elektrode eine Unterschicht aus Kohlenstoffmaterial enthält

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die genannte Schicht ein Kohlenstoffmaterial mit einer wirksamen Oberfläche von über etwa 100 m²/g und einer Teilchengröße von weniger als etwa 50 nm aufweist

6. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß das Matrixteil eine weitere Schicht aus Siliciumcarbidmaterial umfaßt die der Kohlenstoffschicht benachbart ist

7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß jede der genannten Schichten ein Bindermaterial enthält

8. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß das Bindermaterial ein Fluorkohlenstoffpolymeres ist, das weniger als 4% seiner jeweiligen Schicht beträgt

9. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die größten Poren der genannten Schicht Durchmesser aufweisen, die mindestens eine Größenordnung weniger betragen, als die Dicke dieser Schicht.

10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß mindestens etwa 20% der Poren dieser Schicht Durchmesser von weniger als 0,04 μηι aufweisen.