DE3814160C2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- DE3814160C2 DE3814160C2 DE3814160A DE3814160A DE3814160C2 DE 3814160 C2 DE3814160 C2 DE 3814160C2 DE 3814160 A DE3814160 A DE 3814160A DE 3814160 A DE3814160 A DE 3814160A DE 3814160 C2 DE3814160 C2 DE 3814160C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- hydrogen
- oxygen
- electrode
- shaped
- fuel cell
- 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 - Lifetime
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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- 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
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoff
zelle in packungsförmiger Bauart entsprechend den Merkmalen des
Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich damit auf einen mit
den regenerierbaren Energieträgern Wasserstoff und Sauerstoff
betriebenen Gleichstromgenerator, eine Batterie.
In Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen (Batterien) wird
die freie Reaktionsenthalpie (-ΔG) 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, ΔH
= 286 KJ · mol-1, für die Bildung von 18 g Reaktionswasser.
Dadurch ergibt sich ein grundsätzlicher Vorteil gegenüber
den Wärmekraftmaschinen von 40 bis 50%.
Aus der DE-AS 21 08 537 ist ein Brennstoffelement für die
Umsetzung von Gasen mit aus katalytisch aktivem Pulvermaterial
bestehenden Elektroden bekannt. Das bekannte Brennstoffelement
besteht aus einem becherförmigen, gas- und elektrolytdurch
lässigen Behälter, z. B. aus Keramik, der durch einen porösen,
gasdichten Separator, z. B. aus Polyvinylchlorid in zwei Räume
für das Elektrodenmaterial unterteilt ist. Die zwei Elektroden
räume werden durch zwei, das Elektrodenmaterial unter Druck
setzende stromleitende Deckel abgeschlossen, durch welche je
ein in die Pulverschüttung bis in Bodennähe reichendes
Elektrolyt- und Gasleitungsrohr eingeführt ist und in denen
je eine Bohrung für die Ausbringung des Elektrolyt-Gas-
Gemisches und ggf. des Reaktionswassers vorgesehen ist.
Aus der DE-AS 10 59 990 ist ein Brennstoffelement mit
Katalysator-Sieb-Elektroden bekannt, die aus einer katalytisch
wirksamen oder unwirksamen Gasverteilungsfritte und einem
hierzu parallelen, mit einer Stromzuführung versehenen Sieb
bestehen, zwischen denen gekörntes oder pulverförmiges,
elektrisch leitendes, katalytisch wirkendes Material liegt.
Ferner sind Katalysator-Sieb-Elektroden in Brennstoffelementen
aus DE-AS 11 63 412 und DE-AS 11 83 150 bekannt.
Die bekannten Brennstoffelemente unterscheiden sich von der
erfindungsgemäßen Brennstoffzelle jedoch sowohl im kompli
zierteren Aufbau als auch in den verwendeten Materialien
und können daher nicht zu der gewünschten langzeitstabilen
elektrischen Leistung führen.
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.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wasser
stoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle anzugeben, die mit geringem
Materialaufwand eine erhöhte Langzeitstabilität sowie eine höhere elektrische
Leistung bei verringerter Störanfälligkeit erzielt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem
Inhalt der Unteransprüche.
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. 2a-e: 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 Kunststoffmasse
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 Kunststoffmasse 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-Packung (6) befindet sich die Sauerstoff
elektrodenpackung (5) aus natriumhydroxidgetränkten Elektro
graphit-Körnern in einer Fassung aus elektrisch leitfähiger
Kunststoffmasse (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 Kunststoffmasse, elektrisch nicht
leitend
2 Brennstoffzellen-Druckverschluß
3 Elektrodenkohlenstab zum Kontaktieren der Reaktionsmasse (5)
4 Spulenförmige Fassung für die Sauerstoffelektrodenpackung (5)
5 (+) Elektrographitpackung + Natriumhydroxidlösung + Sauerstoff
6 Filterpapier + Natriumhydroxidlösung + Natriumhydroxid-Gel, nur-ionenleitend
7 Becherförmige Fassung für die Wasserstoffelektrodenpackung (9) elektrisch leitend
8 Dichtungsringe aus Neopren
9 (-) Packung aus Holzsägemehl/Redox-Ionenaustaucher + Raney-Nickel + Natriumhydroxid lösung + Wasserstoff
10 Kontaktschraube aus V2A-Legierung
11, 12 Integrierte Gasleitungen
13 Wasserstoff-Raum
14 Sauerstoff-Raum
2 Brennstoffzellen-Druckverschluß
3 Elektrodenkohlenstab zum Kontaktieren der Reaktionsmasse (5)
4 Spulenförmige Fassung für die Sauerstoffelektrodenpackung (5)
5 (+) Elektrographitpackung + Natriumhydroxidlösung + Sauerstoff
6 Filterpapier + Natriumhydroxidlösung + Natriumhydroxid-Gel, nur-ionenleitend
7 Becherförmige Fassung für die Wasserstoffelektrodenpackung (9) elektrisch leitend
8 Dichtungsringe aus Neopren
9 (-) Packung aus Holzsägemehl/Redox-Ionenaustaucher + Raney-Nickel + Natriumhydroxid lösung + Wasserstoff
10 Kontaktschraube aus V2A-Legierung
11, 12 Integrierte Gasleitungen
13 Wasserstoff-Raum
14 Sauerstoff-Raum
Claims (5)
1. Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle in packungsförmiger
Bauart mit becherförmigen, hochporösen, wasserstoffdurch
lässigen Wasserstoffelektroden (9) und becherförmigen,
hochporösen, sauerstoffdurchlässigen Sauerstoffelektroden
(5), die elektrochemisch über lagenförmige, leicht zusammen
gepreßte, gasdichte, ionenleitende Membranstrukturen (6) und
über ringförmige Gummidichtungen (8) zur Abdichtung der Gas
räume (13, 14) gekoppelt sind, wobei die Sauerstoffelektrodenpackung (5)
über einen elektronenleitenden Kohlestab (3),
die Wasserstoffelektroden (9) über eine Kontaktschraube (10) aus V₂A-Legierung kontak
tiert sind und wobei die Wasserstoffelektrode (9) Holz
sägemehl, Natrium- oder Kaliumhydroxidlösung, Hydrierungs
katalysator und Wasserstoff enthält und die Sauerstoff
elektrode (5) Elektrographitpulver oder -granulat, Natrium
hydroxidlösung und Sauerstoff enthält und die Membran
struktur (6) aus natriumhydroxidgetränkten Filterpapier
lagen besteht.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wasserstoffelektrode (9) Redoxharz-Granulat,
Natriumhydroxidlösung, Hydrierungskatalysator und Wasser
stoff enthält.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fassung (7) der Wasserstoffelektrode (9) aus
V₂A-Legierung oder elektronenleitender Kunststoffmasse
mit porenförmigen Löchern oder Schlitzen und die Fassung
(4) der Sauerstoffelektrode (5) aus elektrisch leitfähiger
Kunststoffmasse mit porenförmigen Schlitzen oder Löchern
besteht.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die die Elektroden (9, 5) separierende Membranstruktur
(6) und die die Gasräume (13, 14) abdichtende Gummidichtung
(8) zusätzlich mit Natriumhydroxid-Gel beschichtet sind.
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
paketförmigen Zusammenbau aller Zellenbestandteile in einem
quader- oder zylinderförmigen Zellgefäß (1) aus thermo
plastischer Kunststoffmasse mittels Verpressung.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3814160A DE3814160A1 (de) | 1988-04-27 | 1988-04-27 | Wasserstoff/sauerstoff-brennstoffzelle mit packungsfoermigen katalysatorelektroden |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3814160A DE3814160A1 (de) | 1988-04-27 | 1988-04-27 | Wasserstoff/sauerstoff-brennstoffzelle mit packungsfoermigen katalysatorelektroden |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3814160A1 DE3814160A1 (de) | 1989-11-09 |
DE3814160C2 true DE3814160C2 (de) | 1991-03-07 |
Family
ID=6352963
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3814160A Granted DE3814160A1 (de) | 1988-04-27 | 1988-04-27 | Wasserstoff/sauerstoff-brennstoffzelle mit packungsfoermigen katalysatorelektroden |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3814160A1 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19507477C2 (de) * | 1995-03-03 | 2001-11-08 | Angermeier S Schaedlingsbekaem | Verfahren zum Begasen eines Behandlungsraumes |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1059990B (de) * | 1958-01-17 | 1959-06-25 | Ruhrchemie Ag | Katalysator-Sieb-Elektrode zur elektrochemischen Umsetzung aktiver Gase in Brennstoffelementen |
LU36758A1 (de) * | 1958-01-17 | 1959-03-09 | Ruhrchemie Ag | Katalysator Sieb Elektrode zur elektrochemischen Umsetzung aktiver Gase in Brennstoffelementen |
-
1988
- 1988-04-27 DE DE3814160A patent/DE3814160A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3814160A1 (de) | 1989-11-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA1153422A (en) | Thin carbon-cloth-based electrocatalytic gas diffusion electrodes, processes and electrochemical cells comprising the same | |
US5338412A (en) | Electrochemical device for removal and regeneration of oxygen and method | |
US3634736A (en) | Electrolytic capacitor employing paste electrodes | |
US3877989A (en) | Power system and an electrochemical control device therefor | |
US3202546A (en) | Electrochemical reaction apparatus | |
US3364071A (en) | Fuel cell with capillary supply means | |
CA1067956A (en) | Electrochemical cell with common space for gas and electrolyte | |
JPH07213848A (ja) | 電気化学素子 | |
US5087534A (en) | Gas-recirculating electrode for electrochemical system | |
CN101325266B (zh) | 一种微型组合再生式燃料电池电源系统 | |
US3544380A (en) | Method of activating fuel cell electrode by direct current | |
US3453149A (en) | Fluorocarbon matrix membrane containing free acid and method of fabricating | |
US3925100A (en) | Metal/air cells and air cathodes for use therein | |
US3759748A (en) | Electrically recharged metal air cell | |
US3198666A (en) | Electrochemical fuel cell operation with antipolar ion exchange membrane | |
GB1396062A (en) | Rechargeable solid state electro-chemical cell having a lithium anode and a method of manufacturing the same | |
US3196050A (en) | Method of preparing a catalyst impregnated carbon electrode | |
US4263112A (en) | Cell and method for electrolysis of water and anode therefor | |
DE3814160C2 (de) | ||
US3497388A (en) | Hybrid gas-depolarized electrical power unit | |
US3337369A (en) | Non-porous diffusion membrane fuel cell | |
KR840004616A (ko) | 개량된 이중층 에너지 저장장치 | |
US3355326A (en) | Method of preparing electrodes | |
JPS57124864A (en) | Gas diffusion electrode of fuel cell | |
US3287172A (en) | Electrode and method for preparation thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee | ||
8380 | Miscellaneous part iii |
Free format text: IN HEFT 15/91, SEITE 3943, SP.1: DIE VEROEFFENTLICHUNG IST ZU STREICHEN |
|
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |