DE3530010C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit regenerierbaren Reak­ tionsedukten - Wasserstoff und Sauerstoff - betriebenen umweltfreundlichen elektro­ chemischen Gleichstromgene­ rator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Angaben zur Gattung

In Wasserstoff-Brennstoff­ zellen mit Zweitakt-Kataly­ satorelektroden wird die freie Enthalpie der Oxida­ tion von Wasserstoff mit dem Sauerstoff direkt in elektrische Energie umge­ wandelt, wobei die gasför­ migen Reaktionsedukte Wasserstoff und Sauerstoff der Brennstoffzelle konti­ nuierlich zugeführt werden und das Reaktionsprodukt Wasser aus der Brennstoff­ zelle kontinuierlich ent­ fernt wird. Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad be­ trägt 70-80%.

Stand der Technik mit Fund­ stellen

In allen zur Zeit bekann­ ten Typen von technischen Wasserstoff-Brennstoff­ zellen können - meist nur kurzzeitig - Stromdichten von 20-400 mA · cm^-2 bei Zellspannungen von 0,7-0,8 V und Höchstleistungen von 3660 W · h · kg erzielt wer­ den. Die Gesamt-Reaktions­ hemmung und auch die Stör­ anfälligkeit sind für gro­ ße elektrische Leistungen jedoch viel zu hoch /1-22/. Die Anwendung von Wasser­ stoff-Brennstoffzellen ist deshalb, trotz vieler Ver­ suche zur Verallgemeine­ rung, nur auf wenige Spe­ zialgebiete beschränkt ge­ blieben.

Kritik des Standes der Technik

Der Hauptgrund für das un­ erwünschte Leistungsver­ halten von Wasserstoff- Brennstoffzellen ist in dem viel zu sehr diffusions- und reaktionsgehemmten Volmer-Reaktionsmechanis­ mus und in dem angewende­ ten statischen Phasensche­ ma zu suchen.

Aufgabe

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde den Vol­ mer-Reaktionsmechanismus über ein dyamisches Reak­ tionsverfahren - welches formal dem Prinzip eines Zweitaktmotors entspricht - zu enthemmen. Dadurch können wesentlich höhere Stromdichten erzielt wer­ den als es an klassischen Wasserstoff-Brennstoff­ zellen technisch machbar ist.

Lösung

Diese Aufgabe wird erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst daß man Katalysatorelektro­ denscheiben (4) - die auf einer horizontal rotieren­ den Achse (3) montiert sind - über Zweiphasenbereiche (Gasphase)/Elektrolytlö­ sung) rotieren läßt. Infol­ ge stetigen Abtropfens der Elektrolytlösung vom Elek­ trodenbereich 4 (T) erreicht man daß der Adsorptions- Reaktionsteilschritt mit großer Geschwindigkeit im Gas-Adsorptionsraum 4 (T), stattfindet. Zugleich fin­ det der stromerzeugende Volmer-Reaktionsteilschritt ungehemmt im Reaktionsraum 4 (V) statt. Jedes Elektro­ den-Oberflächenelement er­ füllt dadurch abwechselnd zwei komplementäre Funktio­ nen, als Gas-Adsorber im Reaktionsraum (4 (T) und als Katalysator-Elektrode im Reaktionsraum 4 (V). Durch diese technisch recht ein­ fach zu realisierende Ent­ kopplung der Reaktionsteil­ schritte wird die reaktions­ hemmende Abschirmung der elektrokatalytisch aktiven Zentren gegenüber den rea­ gierenden Gasphasen durch gasundurchlässige Elektro­ lytlösungsschichten und Filme aufgehoben. Es entfällt die Notwendigkeit der Anwen­ dung von reaktionshemmenden Membran­ strukturen. Zusätzlich wird durch die Rührwirkung der Elektrodenrotatio auch noch die Elektrolytpolarisation aufgehoben.

Erzielbare Vorteile

Die mit der Erfindung er­ zielbaren Vorteile bestehen darin, daß die Tafel-Adsorp­ tionshemmung und die Elek­ trolytpolarisation wesent­ lich abgebaut werden, und daß der Membranwiderstand und die damit verbundene Störanfälligkeit entfällt. Die einfache und robuste Konstruktion ermöglicht Einsparungen an Arbeitsauf­ wand, an Materialaufwand, an Wartungskosten, bei ei­ nem wesentlichen Gewinn an elektrischer Leistung.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben. Es zeigt

Fig. 1 Phasenschema einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit rotierenden Zweitakt- Katalysatorelektroden,

Fig. 2 Längsschnitt durch eine Wasserstoff-Brennstoff­ zelle mit rotiernden Zwei­ takt-Katalysatorelektroden.

Alle Bestandteile der Wasserstoff-Brennstoffzelle sind in einem quaderförmigen, wärmebeständigen Zellgefäß (1) aus Plastmasse montiert. Für den horizontal rotieren­ den Brennstoffzellen-Rotor sind an gegenüberliegenden Innenseiten des Zellgefäßes elektronenleitende Kontakt­ lager (2) befestigt. Die Polklemmen (+) und (-) sind mit den Kontaktlagern lei­ tend verbunden. Die Rotor­ achse bestht aus einem nicht-elektronenleitenden zylinderförmigen Kernstück (3). Auf die Achse (3) werden dem Schaltschema entspre­ chend Katalysator-Elektro­ denscheiben (4) und Verbin­ dungselemente aufgepreßt (6). Diese stellen stromleitende Verbindungen oder Unterbre­ chungen zwischen den Elek­ trodenscheiben und den Kon­ taktlagern her. Dadurch er­ füllt die Rotorachse auch die Funktionen des Strom­ kollektors und des Stromver­ teilers zugleich. Scheiben­ förmige Katalysatorelektro­ denscheiben (4) können durch Pressen, Sintern, Verschwei­ ßen oder Vernieten von Bau­ teilen und anschließende elektrolytische Beschich­ tung mit Katalysatormetall hergestellt werden. Jede Zweitakt-Katalysatorelek­ trode ist in eine Gas-Ad­ sorptionsglocke (5) aus ebenfalls wärmebeständiger Plastmasse eingebaut. Da­ durch ist gewährleistet daß die gasförmigen Edukte die Wasserstoff-Brennstoff­ zelle nur über di Elektro­ denreaktion verlassen kön­ nen - weil die im Gas-Adsorp­ tionsraum ungehemmt entste­ henden Zwischenprodukte K-H und K-OH stetig in die Elektrolytlösung hinein­ rotiert werden - um als K-(?) wieder in den Gas- Adsorptionsraum zurückro­ tiert zu werden, wo ein neuer Reaktionszyklus be­ ginnt. Bei Stromschluß rea­ gieren die Zweitakt-Wasser­ stoffelektrode und die Zweitakt-Sauerstoffelektrode mit rotationsbedingter Ober­ flächenkonzentration von K-H und von K-OH nach ei­ nem enthemmten Zweitakt- Volmer-Reaktionsmechanis­ mus. Zum Antrieb des Brenn­ stoffzellen-Rotors kann ein elektrischer Steurmo­ tor mit Untersetzungsge­ triebe angewendet werden, worauf in de Fig. 1 und 2 nicht eingegangen wird.

Claims (4)

1. Wasserstoff-Brennstoffzelle mit gesteuerter Rotation von scheibenförmigen Katalysatorelektroden über Zweiphasenbe­ reiche (Gasphase-Elektrolytlösung), dadurch gekennzeichnet, daß jede scheibenförmige Katalysatorelektrode (4) in eine Gas-Adsorptionsglocke (5) eingebaut ist.

2. Wasserstoff-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorelektroden aus gepreßten, gesinterten, verschweißten oder vernieteten Bauteilen, die mit Katalysa­ tor beschichtet sind, bestehen.

3. Wasserstoff-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) aus einem nichtleitenden Kernstück besteht, mit dem die Elektrodenscheibe (4) und zylinderförmige strom­ leitende Verbindungselemente (6) so verbunden sind, daß die Rotorachse (3) als Stromkollektor und Stromverteiler dient.

4. Wasserstoff-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den horizontal rotierenden Rotor (3) an gegenüberlie­ genden Innenseiten des Zellgefäßes elektronenleitende Kontaktlager (2) befestigt sind.