DE3814160A1 - Wasserstoff/sauerstoff-brennstoffzelle mit packungsfoermigen katalysatorelektroden - Google Patents

Wasserstoff/sauerstoff-brennstoffzelle mit packungsfoermigen katalysatorelektroden

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Description

Die Erfindung betrifft einen mit den regenerierbaren Energie­ trägern Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen, umweltfreund­ lichen, elektromechanischen Gleichstromgenerator - eine Batterie - nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen (Batterien) wird die freie Reaktionsenthalpie (-Δ G) der Oxidation von Wasser­ stoff mit dem Sauerstoff zu Reaktionswasser, direkt in elek­ trischen Gleichstrom umgewandelt ohne wesentliche Erwärmung des Brennstoffzellenreaktors (kalte Verbrennung). Die Reak­ tionsedukte Wasserstoff und Sauerstoff werden der Brenn­ stoffzelle bei Umgebungstemperatur stetig zugeführt und das Reaktionsprodukt Wasser verdunstet ebenfalls bei Umgebungs­ temperatur stetig aus dem Brennstoffzellenreaktor. Der ener­ getische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen beträgt 70 bis 80% von der insgesamt verfügbaren Reaktionsenthalpie, Δ H = 286 KJ · mol-1, für die Bildung von 18 g Reaktionswasser. Dadurch ergibt sich ein grundsätzlicher Vorteil gegenüber den Wärmekraftmaschinen von 40 bis 50%.
In allen zur Zeit bekannten Varianten von technischen Wasser­ stoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen können, höchstens 103 Stun­ den lang, Gleichstromdichten von 20 bis 40 mA · cm-2 bei Zellspannungen von 0,7 bis 0,8 V und Höchstleistungen von 3660 W · h · kg-1 erzielt werden. Die gesamte Reaktionshemmung und damit die Störanfälligkeit der Elektrodenfunktion sind für langzeitstabile elektrische Leistungen noch zu hoch. Die Anwendung von Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen ist deshalb trotz vieler Ansätze zum großtechnischen Einsatz auf nur wenige Spezialgebiete beschränkt geblieben.
Der Hauptgrund für das zur Zeit anwendungstechnisch unerwünschte Leistungsverhalten von Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen, im Temperaturbereich von +20°C bis +40°C, ist im diffusions- und reaktionsgehemmten Volmer-Tafel-Reaktionmechanismus, in den angewendeten störungsanfälligen Phasenschemen und in der elektro­ chemischen Inaktivität der angewendeten Katalysatorträger zu suchen.
In Anlehnung an die heterogen-katalytische Hydrierungstechnik von organischen Verbindungen mit chemischen Doppelbindungen im Makromolekül (Matrix), soll eine Wasserstoff/Sauerstoff-Nieder­ temperaur-Brennstoffzelle Fig. 1 mit packungsförmigen Gaselek­ troden (5, 9) entwickelt werden. Hierzu benötigt man je eine wasserstoffdurchlässige elektrochemisch aktive Reaktionsmasse (9) für die Wasserstoffelektrode (-) und eine elektrochemisch ak­ tive Reaktionsmasse für die Sauerstoffelektrode (5).
Beide Elektrodenpackungen sind über mehrere Lagen von natrium­ hydroxidgetränktem Filterpapier (6) und über eine Beschichtung aus Natriumhydroxid-Elektrolytgel elektrochemisch miteinander zu koppeln. Die Wasserstoffelektrodenpackung (9) soll sich gegenüber der Sauerstoffelektrode (5) wie ein starkes Reduktions­ mittel (-) beziehungsweise wie ein sich stetig regenerieren­ des Elektrodenmetall (-) verhalten.
Im Laufe von experimentellen Untersuchungen wurde beobachtet, daß getrocknetes Kiefernholz-Sägemehl welches mit 7N Natrium­ hydroxidlösung getränkt wurde, mit Raney-Nickel und in Wasserstoffatmosphäre eine elektrochemisch sehr aktive wasser­ stoffdurchlässige Wasserstoffelektrodenpackung (9) ergibt. Die gesamte Reaktionsmasse verhält sich gegenüber der Sauer­ stoffelektrode (5) wie ein starkes Reduktionsmittel. Das Ruhepotential der packungsförmigen Wasserstoffelektrode (9) ist stabil. Es wurden Ruhespannungswerte zwischen 750 mV und 890 mV gemessen. Die Meßwerte für die Stromdichten variieren zwischen 20 mA · cm-2 und 40 mA · cm-2 bei 20°C. Ähnliche Effekte erzielt man wenn man als Wasserstoffelektrode (9) eine Packung aus kornförmigem Redox-Ionenaustauscherharz, Natriumhydroxid­ lösung, Raney-Nickel und Wasserstoff anwendet. Wenn man Wasser­ stoffelektrodenpackungen (9), wie in Fig. 1 angegeben, über eine natriumhydroxidgetränkte Filterpapierpackung (6) mit der packungsförmigen Sauerstoffelektrode (5) aus Elektrographit- Granulat und Natriumhydroxidlösung koppelt, so entsteht eine technisch verwertbare Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle Fig. 1. Die Entfernung des sich bildenden Reaktionswassers aus dem System findet durch Verdunstung, über die Oberfläche der Reaktionsmasse der Elektrographit-Sauerstoffelektrode (5) statt.
Zusätzlich zu den prinzipiellen und allgemein bekannten Vortei­ len von Brennstoffzellen, können über die Anwendung von packungsförmigen Wasserstoffelektroden und über die Anwendung von packungsförmigen Sauerstoffelektroden technische und wirt­ schaftliche Vorteile erzielt werden. Die Wasserstoffübertragung findet störungsfrei und auf dem kürzesten Weg an den Phasen­ grenzen Hydrierungskatalysator/Holzsägemehl, beziehungsweise Hydrierungskatalysator/Redox-Ionenaustauscherharz statt. Der Reaktionsmechanismus wird dadurch stabilisiert. Die einfache, preiswerte und robuste Konstruktion Fig. 1 ermöglicht Einsparungen an Arbeitsaufwand, an Materialaufwand, an Wartungskosten, bei einem wesentlichen Gewinn an Leistungsstabilität im Temperaturbe­ reich von +20°C bis +40°C. Alle Werkstoffe und Rohstoffe sind im Handel erhältlich. Man benötigt keine komplizierten Verfah­ ren zum Bau der Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle mit packungsförmigen Wasserstoff- Sauerstoffelektroden Fig. 1.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 Phasenschema und Längsschnitt zur Wasserstoff/Sauerstoff- Brennstoffzelle mit packungsförmigen Gaselektroden,
Fig. 2 Phasenschema und Möglichkeiten zur Querschnittgestaltung von Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen mit packungsförmi­ gen Gaselektroden.
Alle Komponenten der Brennstoffzelle sind im quaderförmigen oder zylinderförmigen Zellgefäß (1) aus thermoplastischer Plastmasse montiert. Der Zellgefäßboden ist durchbohrt, zum Zwecke der Montage einer Kontaktschraube aus V2A-Legierung (10) zur becherförmigen Wasserstoffelektrodenfassung (7) und zur Packung (9). Die Wandung der Becherelektrode (7) aus V2A-Legierung oder aus elektronen­ leitender Plastmasse ist mit porenförmigen Löchern oder Schlitzen versehen um den notwendigen Phasenkontakt Wasserstoff/Reaktions­ masse durch die Elektrodenwand (7) hindurch zu ermöglichen.
Mit einer Gummidichtung aus Neopren (8) und mit mehreren Lagen natriumhydroxidgetränkten Filterpapieres (6) wird der Gasraum der Wasserstoffelektrode (13) gegenüber dem Gasraum der Sauer­ stoffelektrode (14) abgedichtet. Der Gasabdichtungseffekt wird noch verstärkt dadurch daß die Sauerstoffelektrodenfassung (4) leicht auf die Filterpapierlagen (6) und damit auch auf den oberen Rand der becherförmigen Wasserstoffelektrode (9) aufge­ preßt wird. Die Filterpapierlagen (6) und die Dichtungen (8) sind zusätzlich mit kontaktierendem Natriumhydroxid-Gel be­ schichtet. Auf dem die Elektrodenpackungen separierenden ionen­ leitenden, Filterpapier-Paket (6) befindet sich die Sauerstoff­ elektrodenpackung (5) aus natriumhydroxidgetränkten Elektro­ graphit-Körnern in einer Fassung aus elektrisch leitfähiger Plastmasse (4).
Die Wandung der Elektrodenfassung (4) ist ebenfalls mit poren­ förmigen Durchbohrungen oder Schlitzen versehen um die Zirkula­ tion des Sauerstoffes (als Reaktionspartner und Schutzgas) zur aktiven Elektrodenmasse zu gewährleisten. Der Gasraum der Sauer­ stoffelektrode (14) ist durch ringförmige Gummidichtungen (8) gegenüber der Wasserstoffelektrode und gegenüber der umgeben­ den Luft abgedichtet. Ein Verschluß-Bauelement (2) fixiert die Lagen der Sauerstoffelektrode (5) und der anderen Zellkompo­ nenten (6, 9) im Zellgefäß (1). Das Kontaktieren der Sauerstoff­ elektrodenpackung (5) erfolgt über einen elektronenleitenden Kohlestab (3). Die Gasräume (13, 14) einer vielzelligen Batterie sind alle über integrierte Rohrleitungen (11, 12) miteinander verbunden. Die elektrische Kopplung der Pole kann über integrier­ te Serien- oder Parallelschaltungen vorgenommen werden. Das Formieren der Elektrodenpackungen erfolgt über die Elektrolyse. Als Elektrokatalysatoren können für die Wasserstoffelektrode außer Raney-Nickel auch Platin-Schwarz oder Palladiummohr verwen­ det werden.
Technische Bezeichnungen zur Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoff­ zelle mit packungsförmigen Gaselektroden.
1 Zellgefäß aus thermoplastischer Plastmasse, elektrisch nicht leitend
2 Brennstoffzellen-Druckverschluß
3 Elektrodenkohlenstab zum Kontaktieren der Reaktionsmasse (5)
4 Spulenförmige Fassung für die Sauestoffelektrodenpackung (5)
5 (+) Elektrographitpackung + Natriumhydroxidlösung + Sauerstoff
6 Filterpapier + Natriumhydroxidlösung + Natriumhydroxid-Gel, nur-ionenleitend
7 Becherförmige Fassung für die Wasserstoffelektrodenpackung (9)
8 elektrisch leitend
8 Dichtungsringe aus Neopren
9 (-) Packung aus Holzsägemehl + Raney-Nickel + Natriumhydroxid­ lösung + Wasserstoff
10 Kontaktschraube aus V2A-Legierung
11, 12 Integrierte Gasleitungen
13 Wasserstoff-Raum
14 Sauerstoff-Raum

Claims (7)

1. Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch packungsförmige, hochporöse, wasserstoffdurchlässige, Wasserstoffelektroden (9), bestehend aus (Holzsägemehl + Natriumhydroxidlösung oder Kaliumhydroxid­ lösung + Hydrierungskatalysator + Wasserstoff) oder aus (Redoxharz-Granulat + Natriumhydroxidlösung + Hydrierungs­ katalysator + Wasserstoff).
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch packungsförmige hochporöse, sauerstoff­ durchlässige Sauerstoffelektroden (5) bestehend aus (Elektrographitpulver + Natriumhydroxidlösung + Sauerstoff).
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die elektrochemische Kopplung von packungsförmigen Gaselektroden über lagenförmige, leicht zusammengepreßte, gasdichte, ionenleitende Membranstruk­ turen (6).
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch gasdurchlässige spulenförmige Fassungen (4) der Elektrodenpackung (5) aus metallisch leitendem Kunststoff für die Sauerstoffelektrode.
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine becherförmige geometrische Form (7) und eine gasdurchlässige elektronenleitende Wandstruktur der Elektrodenfassung (7) für die Wasserstoffelektrode (9).
6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den paketförmigen Zusammenbau aller Zellenbestandteile durch Verpressung Fig. 1.
7. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die elektrochemische Kontaktierung der aktiven Komponenten im Membranbereich (6) über eine ionenleitende Beschichtung aus Natriumhydroxid-Gel.
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