DE3011745C2 - Brennstoffzelle - Google Patents
BrennstoffzelleInfo
- Publication number
- DE3011745C2 DE3011745C2 DE3011745A DE3011745A DE3011745C2 DE 3011745 C2 DE3011745 C2 DE 3011745C2 DE 3011745 A DE3011745 A DE 3011745A DE 3011745 A DE3011745 A DE 3011745A DE 3011745 C2 DE3011745 C2 DE 3011745C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- layer
- fuel cell
- matrix
- cell according
- carbon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0002—Aqueous electrolytes
- H01M2300/0005—Acid electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
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.
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.
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.
% 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.
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.
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.
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.
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 (10)
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.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/024,416 US4276356A (en) | 1979-03-27 | 1979-03-27 | Matrix member for containing fuel cell acid electrolyte |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3011745A1 DE3011745A1 (de) | 1980-10-02 |
DE3011745C2 true DE3011745C2 (de) | 1983-04-28 |
Family
ID=21820484
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3011745A Expired DE3011745C2 (de) | 1979-03-27 | 1980-03-26 | Brennstoffzelle |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4276356A (de) |
JP (1) | JPS55130077A (de) |
AR (1) | AR224147A1 (de) |
BR (1) | BR8001827A (de) |
CA (1) | CA1139832A (de) |
DE (1) | DE3011745C2 (de) |
FR (1) | FR2452800A1 (de) |
GB (1) | GB2047457B (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19914247A1 (de) * | 1999-03-29 | 2000-10-19 | Siemens Ag | HTM-Brennstoffzelle mit verminderter Elektrolytausspülung, HTM-Brennstoffzellenbatterie und Verfahren zum Starten einer HTM-Brennstoffzelle und/oder einer HTM-Brennstoffzellenbatterie |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4352865A (en) * | 1981-07-30 | 1982-10-05 | Energy Research Corporation | Fuel cell matrix having curling compensation |
EP0106605A1 (de) * | 1982-09-30 | 1984-04-25 | Engelhard Corporation | Brennstoffzelle mit Elektrolyt-Matrixanordnung aus Schichten unterschiedlicher Porosität und Elektrolyten-Zuführungssystem |
US4661423A (en) * | 1984-02-01 | 1987-04-28 | Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha | Fuel cell electrolyte matrix and method for manufacturing the same |
US4751062A (en) * | 1986-10-01 | 1988-06-14 | Engelhard Corporation | Fuel cell with electrolyte matrix assembly |
US4855194A (en) * | 1988-02-05 | 1989-08-08 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Fuel cell having electrolyte inventory control volume |
FR2667728B1 (fr) * | 1990-10-08 | 1995-07-07 | Sorapec | Pile a combustible. |
US5300124A (en) * | 1993-03-31 | 1994-04-05 | International Fuel Cells Corporation | Method for forming a laminated electrolyte reservoir plate |
JP2009032490A (ja) * | 2007-07-26 | 2009-02-12 | Sony Corp | 燃料電池システムおよび電子機器 |
Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
LU35060A1 (de) * | 1956-05-18 | 1900-01-01 | ||
DE1241812B (de) * | 1958-07-19 | 1967-06-08 | Siemens Ag | Ventil-Elektrode |
FR1288087A (fr) * | 1961-01-31 | 1962-03-24 | Csf | électrodes pour piles à combustion |
US3202546A (en) * | 1961-04-17 | 1965-08-24 | Standard Oil Co | Electrochemical reaction apparatus |
CH394326A (de) * | 1961-12-14 | 1965-06-30 | Siemens Ag | Gasdiffusionselektrode mit gerichteter Porosität und Verfahren zu ihrer Herstellung |
US3423247A (en) * | 1963-06-07 | 1969-01-21 | Union Carbide Corp | Porous conductive electrode having at least two zones |
US3513029A (en) * | 1964-09-10 | 1970-05-19 | Leesona Corp | Fuel cell and electrodes therefor |
DE1571964C3 (de) * | 1965-07-20 | 1975-03-20 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Verfahren zur Herstellung einer Doppelschichtelektrode mit Nickel als Gerüstmetall für die Reduktion von Sauerstoff in Brennstoffzellen |
US3453149A (en) * | 1965-10-01 | 1969-07-01 | Engelhard Ind Inc | Fluorocarbon matrix membrane containing free acid and method of fabricating |
US3481737A (en) * | 1966-06-29 | 1969-12-02 | Leesona Corp | Matrix construction for fuel cells |
US3519486A (en) * | 1966-10-06 | 1970-07-07 | United Aircraft Corp | Control of electrolyte in a fuel cell |
US3575718A (en) * | 1968-09-23 | 1971-04-20 | Engelhard Min & Chem | Composite electrolyte member for fuel cell |
US3615845A (en) * | 1968-12-31 | 1971-10-26 | Texas Instruments Inc | Fuel cell electrolyte control |
US3855002A (en) * | 1973-12-21 | 1974-12-17 | United Aircraft Corp | Liquid electrolyte fuel cell with gas seal |
DE2526582C2 (de) * | 1975-06-13 | 1982-09-16 | Varta Batterie Ag, 3000 Hannover | Metall-Luft-Zelle |
US4007059A (en) * | 1975-08-20 | 1977-02-08 | General Motors Corporation | Electrochemical cell electrode separator and method of making it and fuel cell containing same |
US4000006A (en) * | 1975-09-02 | 1976-12-28 | United Technologies Corporation | Screen printing fuel cell electrolyte matrices |
US4017664A (en) * | 1975-09-02 | 1977-04-12 | United Technologies Corporation | Silicon carbide electrolyte retaining matrix for fuel cells |
US4038463A (en) | 1976-09-01 | 1977-07-26 | United Technologies Corporation | Electrode reservoir for a fuel cell |
US4129685A (en) | 1977-08-15 | 1978-12-12 | United Technologies Corp. | Fuel cell structure |
-
1979
- 1979-03-27 US US06/024,416 patent/US4276356A/en not_active Expired - Lifetime
-
1980
- 1980-02-25 CA CA000346330A patent/CA1139832A/en not_active Expired
- 1980-03-10 JP JP3018880A patent/JPS55130077A/ja active Pending
- 1980-03-25 GB GB8009947A patent/GB2047457B/en not_active Expired
- 1980-03-26 BR BR8001827A patent/BR8001827A/pt unknown
- 1980-03-26 DE DE3011745A patent/DE3011745C2/de not_active Expired
- 1980-03-27 FR FR8006812A patent/FR2452800A1/fr active Granted
- 1980-03-27 AR AR280468A patent/AR224147A1/es active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19914247A1 (de) * | 1999-03-29 | 2000-10-19 | Siemens Ag | HTM-Brennstoffzelle mit verminderter Elektrolytausspülung, HTM-Brennstoffzellenbatterie und Verfahren zum Starten einer HTM-Brennstoffzelle und/oder einer HTM-Brennstoffzellenbatterie |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2452800A1 (fr) | 1980-10-24 |
US4276356A (en) | 1981-06-30 |
CA1139832A (en) | 1983-01-18 |
FR2452800B1 (de) | 1984-08-24 |
BR8001827A (pt) | 1980-11-18 |
DE3011745A1 (de) | 1980-10-02 |
GB2047457A (en) | 1980-11-26 |
GB2047457B (en) | 1983-12-21 |
AR224147A1 (es) | 1981-10-30 |
JPS55130077A (en) | 1980-10-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE893670C (de) | Elektrode fuer galvanische Elemente, insbesondere Akkumulatoren, und Verfahren zu ihrer Herstellung | |
DE1921610C3 (de) | Elektrolytkondensator | |
DE2736885C2 (de) | Elektrolytspeicherschicht für Brennstoffzellen | |
DE2720528C2 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode | |
DE2239922C3 (de) | Elektrische Akkumulatorenbatterie | |
CH636987A5 (de) | Brennstoffzellenanlage. | |
DE19709199A1 (de) | Gasdiffusionselektrode mit verringertem Diffusionsvermögen für Wasser und Verfahren zum Betreiben einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ohne Zuführung von Membranbefeuchtungswasser | |
DE2736884A1 (de) | Elektrolytspeicherschicht fuer brennstoffzellen | |
DE1947899C3 (de) | Brennstoffzelle | |
DE2839845A1 (de) | Separator fuer galvanische elemente und verfahren zu dessen herstellung | |
DE2736883A1 (de) | Elektrolytspeicherschicht fuer brennstoffzellen | |
DE3011745C2 (de) | Brennstoffzelle | |
DE2809815C3 (de) | Brennstoffzelle mit einer den Elektrolyten chemisch und physikalisch adsorbierenden Matrixschicht | |
DE3036807A1 (de) | Elektrochemisches element mit hoher energiedichte | |
DE7920707U1 (de) | Zinkelektrode | |
DE2328050A1 (de) | Elektrokatalysator | |
DE102004024915B4 (de) | Auf einer Feststoffpolyelektrolytmembran angeordnete Brennstoffzellen-Luftelektrode und Brennstoffzelle mit dieser | |
DE1596223A1 (de) | Elektrolytische Zellen und elektrische Akkumulatoren,insbesondere dichte oder halbdichte Akkumulatoren | |
DE102004053589B4 (de) | Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur | |
DE4417403A1 (de) | Verfahren zum Produzieren einer Gaselektrode | |
DE1271233B (de) | Verfahren zum Herstellen aktiver Massen fuer Elektroden von elektrischen Sammlern | |
DE3538043A1 (de) | Elektrochemische zelle mit elektrolytumlauf, verfahren zum herstellen einer gasdepolarisierten katode und elektrolyseverfahren | |
DE3526316C2 (de) | ||
DE2620950B2 (de) | Eisenelektrode für galvanische Elemente | |
DE1932025C3 (de) | Poröse Elektrode für elektrochemische Reaktionen in Elektrolyse-Zellen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OAP | Request for examination filed | ||
OD | Request for examination | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8365 | Fully valid after opposition proceedings | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |