DK150425B - Braendselscelle - Google Patents

Description

i 150425 5 Denne opfindelse angår en brændselscelle, som inde holder et porøst separatorlag, der kan fastholde e-lektrolyt, et på den ene side af separatorlaget placeret anodekatalysatorlag, et på den anden side af separatorlaget placeret katodekatalysatorlag, samt et 10 elektrolyt-reservoirlag eller -bufferlag ved mindst et af katalysatorlagene.

I en konventionel brændselscelle er der mellem et par indbyrdes adskildte elektroder anbragt en elektrolyt.

15 Elektroderne består ofte af et substrat, hvorpå der er påført en katalysator; substratet har udelukkende til formål at bære katalysatoren og skal være udført således, at katalysatoren, når cellen arbejder, hele tiden er i kontakt med elektrolytten. Elektroden skal 20 desuden være konstrueret således, at reaktionsgassen, brændslet, f.eks. hydrogen, kan trænge ind i substratet og også komme i kontakt med katalysatoren. Hidtil har man i almindelighed ment, at der dannes en trefaset kontaktflade mellem brændselsgassen, katalysato-25 ren og elektrolytten, og at den elektrokemiske reaktion finder sted i dette kontaktområde. Mange ældre elektroder, f.eks. de, der anvendes i de i de amerikanske patentskrifter nr. 2 969 315 og nr. 2 928 783 beskrevne celler, er porøse nikkelelektroder, således 30 at katalysatoren er homogent fordelt i elektroden i hele dennes tykkelse. I disse ældre celler anvendes en cirkulerende elektrolyt, således at vand kan fyldes på eller fjernes udenfor selve cellen, så man derved kan opretholde et relativt konstant elektro- 2 150425 lytvolumen i cellen. Mindre ændringer i elektrolytvolumen medfører i disse celler i hvert fald kun, at den trefasede kontaktflades position i substratet forandres.

5 I celler af nyere konstruktion er man gået over til at anvende en ikke-cirkulerende eller indesluttet e-lektrolyt anbragt i et bindemateriale placeret mellem elektroderne. I disse celler fjernes vand, der dannes 10 under cellens arbejde, ved fordampning ved, at det dannede vand føres ind i den ene af reaktionsgasstrømmene. For at nå den pågældende reaktionsgasstrøm skal vanddampen kunne passere gennem elektroden, men man kan ikke lade elektroden fyldes helt med væske, 15 fordi denne ville kunne hindre reaktionsgassen i at strømme ind i elektroden, til reaktion med elektrolytten på katalysatorstederne. Bestræbelser på at undgå problemer af denne slags har ført til udvikling af biporøse elektroder. En sådan biporøs elektrode 20 beskrives i det amerikanske patentskrift nr. 3 077 508. Som det angives i denne publikation har den biporøse struktur i almindelighed et lag med stor pore-størrelse på den side, som kommer i kontakt med gassen, og et lag med små eller fine porer på den side, 25 der kommer i kontakt med elektrolytten. Laget med de fine porer skal nødvendigvis være aktiveret med en katalysator. Det lag, som har store porer, kan også være aktiveret på denne måde, skønt det ikke nødvendigvis altid er tilfældet. Den stærke kapillarvirk-30 ning i laget med de fine porer fastholder elektrolytten med stor kraft, medens laget med de store porer skal forblive relativt fri for elektrolyt og derfor altid tillade, at reaktionsgas trænger ind i elektrodesubstratet. Den elektrokemiske reaktion finder her- 150425 3 ved sted tilnærmelsesvist i grænseområdet mellem laget med de store porer og laget med de små porer, hvor den trefasede kontakt- eller grænseflade findes.

Laget med de fine porer er imidlertid i disse kendte 5 celler i almindelighed meget tyndt, hvorfor der kræves andre foranstaltninger, for at regulere ændringer i elektrolytvoluminet.

I en elektrode, hvor katalysatoren er fordelt homo-10 gent i hele substratet, spiller det ingen rolle, om elektrolytten opfylder elektrodens tykkelse halvt eller trekvart, når der altid findes katalysatorer i grænsefladen mellem elektrolytten og reaktionsgassen.

Det er derfor ikke nødvendigt, at reaktionsgassen er 15 i stand til at trænge igennem den del af elektroden, som ikke er fyldt med elektrolyt. Elektrokemisk aktivitet finder imidlertid kun sted ved det trefasede kontakt - eller grænseområde, og katalysator, som ikke befinder sig ved dette grænseområde, reagerer der-20 for ikke, men forspildes praktisk talt. Det fortsatte udviklingsarbejde har ført til elektroder, hvor katalysatoren ikke er fordelt i substratets samlede masse, men i stedet er påført i form af et meget tyndt lag på den flade, der er nærmest elektrolytten. I 25 denne type elektrode er det nødvendigt, at der altid findes gaskanaler, som strækker sig helt igennem substratet til katalysatorlaget. For at sikre, at reaktionsgassen når katalysatorlaget har dét været anset for nødvendigt at anvende et hydrofobt substrat, som 30 ikke kan fastholde nogen nævneværdig mængde elektrolyt, der ville kunne blokere for reaktionsgassens passage gennem substratet til katalysatorlaget. Dette er nu den oftest anvendte elektrodetype. I celler af typen med ikke-cirkulerende elektrolyt er det imid- 150Λ25 4 lertid stadig nødvendigt at fjerne overskudsvand ved fordampning i den ene af reaktionsgasstrømmene og/ eller at kunne lagre en overskydende elektrolytmængde et eller andet sted inde i cellen, når vanddamp i 5 gasstrømmen og fra den omgivende atmosfære kondenserer til væske, især når cellens arbejde standses. Ved anvendelse af hydrofobe substrater vil den kondenserede vanddamp forøge elektrolyttens volumen og danne en væskefilm på substratets inderside eller bagside.

10 Denne film vil virke som en hindring for gasstrømmen gennem substratet^ når cellen på ny tages i drift.

Løsninger på de her diskuterede problemer vises og beskrives i de amerikanske patentskrifter nr. 3 779 15 811 og nr. 3 905 832. Ifølge det førstnævnte af disse patenter placeres en porøs elektrolytbeholderplade i reaktionsgasstrømmens bane og adskildt fra elektroden. Porøse stave sikrer forbindelse for elektrolytten mellem den porøse plade og elektroden. Cellens 20 elektrolytvolumen reguleres ved elektrolytoverførsel gennem den porøse plades stave, hvorved cellens e-lektrokemiske virkningsgrad stabiliseres, og oversvømmelse af elektroden forhindres. Man bør bemærke, at den i dette skrift beskrevne udformning har en e-25 lektrode, der indbefatter et ledende nikkelgitter, som er beklædt med en teflonmasse (polytetrafluor-ethylenmasse), hvori der homogent er indblandet platinpartikler, hvorved elektroden i princippet et blevet gjort hydrofob. Ifølge det sidstnævnte skrift er 30 et hydrofilt materiale placeret bagved og i kontakt med et hydrofobt elektrodesubstrat for at virke som elektrolytreservoir eller -buffer. Kommunikerende forbindelse mellem buffer- eller reservoirmaterialet og elektrolytmassen etableres for eksempel ved i e- 5 150Λ25 lektroden udformede huller, der er fyldt med hydrofilt materiale, eller ved at lade bestemte dele af substratet forblive hydrofilt for at danne vægevirkning mellem elektrolytmassen og reservoirmaterialet.

5 På denne måde har elektrolytoverskuddet en sted at fortrænges til uden nævneværdigt at påvirke gasstrømmen gennem substratets hydrofobe område.

De i begge de sidstnævnte patentskrifter beskrevne 10 opfindelser fungerer ganske vist godt; men de har visse ulemper. En ulempe er cellens relativt store tykkelse. En anden er de forøgede IR-tab, som skyldes enten den reducerede kontaktflade mellem elektroden og separatorpladen eller det yderligere materiale, 15 der er kommet til, og igennem hvilket den elektriske strøm skal passere. Forøgede omkostninger er et andet problem; disse skyldes ikke kun udgifterne til reservoirlaget eller selve materialet i dette, men kan også skyldes de øgede fremstillingspriser for elektro-20 den, som er forbundne med at udføre opfindelsen ifølge det sidstnævnte skrift.

Formålet med denne opfindelse er at frembringe en e-lektrokemisk celle, som tillader variationer i elek-25 trolytvolumen, som er tynd, som er let at fremstille, og som er relativt billig.

Ifølge opfindelsen opnås dette ved, at reservoirlaget er tæt forbundet med i hovedsagen hele den fra sepa-30 ratorlaget bortvendte side af i det mindste det ene af katalysatorlagene, hvorhos elektrolytreservoirlaget er ubrudt, gasporøst, fuldstændigt hydrofilt i forhold til elektrolytten og i hovedsagen fri for katalysatormateriale, og elektrolytreservoirlaget har 6 150425 et porestørrelsesområde med en fuldstændig vilkårlig porestørrelsefordeling, men praktisk taget uden porer, der er mindre end de største porer i separatorlaget, og ved et organ, som danner et rum for reak-5 tionsgassen ved elektrolytreservoirlagets bort fra katalysatorlaget vendte side.

Til forskel fra tidligere kendte elektrokemiske celler findes der intet separat lag af elektrolytreser-10 voirmateriale bag substratet; derfor behøves der ingen huller gennem substratet, og substratet behøver heller ikke at blive underkastet nogen specialbehandling, for at der skal kunne dannes vægevirkning fra elektrolytmassen til reservoirlaget. Substratet (dvs.

15 elektrolytreservoirlaget) er helt enkelt et hydrofilt materiale med et porestørrelsesområde med helt igennem vilkårlig størrelsesfordeling. De mindre porer fungerer som reservoir for overskydende elektrolyt, medens de større porer i hovedsagen forbliver fri for 20 elektrolyt og derved danner de nødvendige gaspassager gennem elektrolytreservoirlaget til katalysatorlaget.

Por at sikre, at separatorlaget altid er fyldt med elektrolyt, bør substratets eller elektrolytreser-25 voirlagets porer ikke være mindre end de største af separatorlagets porer. Ved en sådan udformning vil kapillarvirkningen i reservoirlaget være mindre end kapillarvirkningen i separatorlaget, hvorfor elektrolyt ikke vil blive suget ind i reservoirlaget, før 30 der forekommer overskud af elektrolyt til opfyldning af separatorlaget. På den anden side gælder, at elektrolytten, når dens volumen i cellen aftager, vandrer fra reservoirlaget til separatorlaget, hvorved en udtørring af separatorlaget forhindres.

150425 7

Det har overraskende vist sig, at et porøst, hydrofilt elektrolytreservoirlag med et porestørrelsesområde, hvor porestørrelserne er helt igennem vilkårligt fordelt, bibeholder tilstrækkelig porøsitet, 5 selv når det er delvis fyldt med elektrolyt, således at reaktionsgassen let kan passere gennem reservoirlaget vinkelret på dettes tykkelsesdimension, uden at der behøver at være nogle hydrofobe områder. Det har f.eks. vist sig, at forskellige kulpapirer, det vil 10 sige papir af kulfibre eller forkullede fibre, med et stort spektrum af forskellige porestørrelser fungerer godt som elektrolytreservoir.

Opfindelsen skal nu beskrives nærmere i tilknytning 15 til tegningen, hvis eneste figur viser et lodret snit gennem en udformning af en elektrokemisk celle ifølge opfindelsen.

I figuren, som altså illustrerer en som eksempel 20 valgt udformning af brændselscellen ifølge opfindelsen, er denne celle betegnet med 10. Brændselscellen 10 indeholder et porøst elektrolytbindende separatorlag 12, en anodeelektrode 14, en katodeelektrode 16 og et par gasseparatorer 18 og 20. Cellen har i denne 25 udformning fosforsyre som elektrolyt, men opfindelsen kan også udformes til celler med en hvilken som helst anden elektrolyt, f. eks. kaliumhydroxid eller smeltet carbonat. 1

Anoden 14 har et katalysatorlag 22, som er fastlimet på et elektrolytreservoirlag 24, der i denne udformning af cellen også fungerer som elektrodesubstrat.

Gas separatoren 18 omfatter en mellemdel 26 og en kantdel 29. Mellemdelen er placeret i afstand fra 8 150425 buffer- eller reservoirlaget 24, således at der i mellemrummet er etableret et brændselskammer 28, hvori hydrogen eller andet egnet brændsel indføres. I en stapel brændselsceller ville separatoren 8 på sin 5 anden side have et oxideringsmiddel til at føde en tilgrænsende celles katode. Den del 30 af reservoirlaget 24, som står i direkte kontakt med brændslet i brændselskammeret 28, betegnes nedenfor som reservoirlagets aktive del. Den del af katalysatorlaget, 10 som er beliggende ved den aktive del 30, betegnes nedenfor som katalysatorlagets aktive område. Den aktive del 30 er hydrofil i forhold til elektrolytten, er desuden porøs og indeholder ingen katalysator eller noget andet hydrofobt materiale, bortset fra mu-15 lige små forekomster ved den overflade, hvor katalysatorlaget 22 er limet fast på reservoirlaget, som følge af en uundgåelig, mindre indtrængning af katalysatorlaget i reservoirlagets overfladeporer. Reservoirlaget 24 kan bestå af et hvilket som helst po-20 røst, hydrofilt materiale, som er elektrisk ledende og praktisk taget inaktivt i forhold til 'elektrolytten. Kulpapir af samme type som tidligere er blevet anvendt som elektrodesubstrat, er et godt reservoir-materiale i brændselsceller med fosforsyre som elek-25 trolyt. Katalysatorlaget 22 består af katalysatorpartikler, som er sammenbundne med et hydrofobt materiale, f.eks polytetraflouretylen (teflon). Platin på kulpartikler er en særlig egnet katalysator. Katalysatorlagets sammensætning- er imidlertid ingen kritisk 30 faktor for opfindelsen, eftersom en hvilken som helst i forvejen kendt eller senere udviklet katalysatorsammensætning sandsynligvis vil være egnet til anvendelse i brændselscellen ifølge opfindelsen.

150425 9

Det er som bekendt væsentligt, at separatorlaget 12 altid er fuldstændigt fyldt med elektrolyt, både i drift og under stilstand. Inden cellen indkobles første gang, indføres der derfor mindst så megen elek-5 trolyt i den, at elektrolytten fuldstændigt fylder separatorlaget, og helst noget mere. Under drift producerer brændselscellen vand, som spæder elektrolytten op og øger dens totale volumen udover den mængde som kan rummes i separatorlaget. Når cellen er slået 10 fra, kan dens væskevolumen desuden fordobles eller tredobles ved, at den optager vanddamp fra den omgivende luft og fra brændselsrummet. Denne overskudsvæske må have et sted, hvor den kan løbe hen.. Reservoirlaget 24 har et sådant sted i form af sine porer.

15 Overførslen af den overskydende væske når den dannes i separatorlaget 12 må ske gennem katalysatorlaget 22. For at sikre en egnet overførselsvej mellem separatorlaget 12 og reservoirlaget 24 i begge retninger er der udformet gennemgående huller 34 i katalysator-20 laget. Disse huller er fordelagtigt fyldt med et hydrofilt materiale, f.eks. samme materiale, som separatorlaget består af. Skønt der i den viste udformning er frembragt sådanne huller i katalysatorlaget 22, har det vist sig, at disse huller i mange tilfæl-25 de slet ikke behøves, fordi katalysatorlaget indeholder både hydrofile og hydrofobe porer. Prøver, der er foretaget, har vist, at cellen sædvanligvis opnår en tilstrækkelig god elektrolytoverføringsevne gennem katalysatorlagets hydrofile porer. For alle tilfældes 30 skyld kan man lave hullerne udelukkende som en for-s igtigheds foranstaltning.

Væskeoverførslen i cellen sker under indflydelse af kapillarvirkning. Jo mindre porerne er, desto stærke- 150425 10 re er kapillarvirkningen, og desto større er evnen til at tilbageholde væske.· Skønt separatorlaget 12 altid må være fyldt med elektrolyt, må det have mindre porer end reservoirlaget 24, for hvis dette ikke 5 er tilfældet vil elektrolytten i separatorlaget 12 blive suget ind i reservoirlagets porer og således forårsage en partiel tømning af separatorlaget. I o-verensstemmelse med denne opfindelse er praktisk taget samtlige porer i reservoirlaget 24 større end po-10 rerne i separatorlaget; derfor vil reservoirlagets porer ikke blive fyldt, før separatorlaget er blevet fyldt, og de vil blive tømt i separatorlaget, hvis væskevolumenet i cellen mindskes.

15 Brændselsgassen, f.eks. hydrogen, skal selvfølgelig altid være i stand til at passere gennem reservoireller bufferlaget 24 til katalysatorlaget 22, når cellen arbejder. Tidligere har man ment, at ethvert lag, som skiller brændselskammeret fra katalysatorla-20 get skulle være forsynet med enten huller eller hy drofobe områder for at sikre fri gaspassage. Det har imidlertid overraskende vist sig, at dette ikke er nødvendigt. Det er således konstateret, at et reservoir- eller bufferlag 24, som er ubrudt og har en 25 tykkelse, som ikke er større end tykkelsen af tidligere kendte elektrodesubstrater, i sine finere porer kan have et tilstrækkeligt hulrumsvolumen til at optage det overskydende væskevolumen, så dets større porer forbliver tomme og danner frie passager for 30 gassen fra brændselskammeret gennem reservoirlaget til katalysatorlaget. Dette har vist sig at gælde for kulpapir, som har et bredt porestørrelsesfordelingsområde, som det fremgår af efterfølgende tabel 1. Det er sandsynligt, at også andre porøse elektrodesub- 150425 11 stratmaterialer med lignende porestørrelsesfordeling kan fungere tilfredsstillende, f.eks. hydrofile polymerer (f. eks. polysulfon, som er behandlet, så det kan befugtes); sintrede metaller kan anvendes i cel-5 ler med basisk elektrolyt.

Afprøvning af celler ifølge opfindelsen har vist, at der opnås tilfredsstillende funktion, hvis indtil 60% af reservoir- eller bufferlaget er fyldt med elektro-10 lyt. For de i lighed med efterfølgende udførelseseksempel prøvede og beskrevne celler, udgør dette tilnærmelsesvist to til tre gange det fyldevolumen, ved hvilken cellerne normalt arbejder. Dermed er ikke sagt, at reservoirlaget, når det er fyldt, ikke har 15 nogen indvirkning på fordelingen af brændslet, når dette indføres i katalysatorlaget; imidlertid er hydrogens diffusionsegenskaber sådanne, at brændselscellens anodeside er temmelig tolerant overfor den reducerede tilstrømning af optageligt brændsel. Reser-20 voirlagets fornødne tykkelse afhænger af sådanne faktorer som forventet maksimal væskemængde, det anvendte materiales porøsitet samt en rimelig sikkerhedsfaktor. Tykkelsen kan let bestemmes af en fagmand med normalt kendskab til dette tekniske område.

25 På den anden side er katoden ikke ligeså tolerant o-verfor den reducerede tilstrømning af optageligt oxideringsmiddel, som anoden er med hensyn til den reducerede tilstrømning af optageligt hydrogen. Af denne 30 årsag foretrækkes det at placere bufferkapaciteten for elektrolyt bag anodekatalysatoren i stedet for bag katodekatalysatoren. I mange tilfælde kan man anvende en almindelig, hydrofoberet katode i kombination med anode- og reservoirlag ifølge opfindelsen.

150425 12

Det er imidlertid ønskeligt, at substratlaget bag katoden indeholder elektrolyt, når cellen ikke arbejder, og elektrolyttens volumen øges til flere gange dets arbejdsvolumen som følge af kondensering af væ-5 ske fra en fugtig atmosfære. I udformningen ifølge figuren omfatter katoden 16 derfor også et ikke hy-drofoberet substrat 38 med et pålimet katalysatorlag 39. Separatoren 20 omfatter en mellemdel 21 i nogen afstand fra substratet 38, så der derimellem afgræn-10 ses · et oxidationsmiddelkammer 40. Den del 44 af sub-statet 38, som er i direkte kontakt med oxidationsmidlet i kammeret 40, benævnes her substratets aktive del. Den del af katalysatorlaget 39, som er beliggende ved den aktive del 44, er katalysatorlagets aktive 15 område. Som det er angivet i det foregående, er substratet 38 ikke beregnet til at tjene til optagelse af overskydende elektrolyt, når cellen er i drift; af denne grund benævnes det ikke reservoirlag. Ligesom reservoirlaget 24, og i modsætning til den kendte 20 teknik, indeholder det imidlertid intet væskeskyende eller hydrofobt materiale i sin aktive del 44; det adskiller sig kun fra reservoir- eller bufferlaget 24 ved, at de fleste af dets porer (jo flere jo bedre) i den aktive del er større end de porer i den aktive 25 del 30 af reservoirlaget 24, som fyldes med elektrolyt, når cellen arbejder. Dette indebærer, at substratets 38 aktive del kan have en del porer, som er mindre end de største porer i .reservoirlagets 24 aktive del; de fleste af disse mindre porer forbliver 30 imidlertid tørre når cellen arbejder, idet det meste af den nødvendige elektrolytoplagring, når cellen er i drift, sker i de endnu mindre porer i reservoirla-get. Kun under driftstop vil der være tilstrækkelig stor væskevolumen til at fylde de større porer i sub- 150425 13 stratets aktive del. På denne måde vil overskydende elektrolyt først og fremmest trænge ind i reservoirlaget 24, og ikke i substratet 38. Det eneste tilfælde, i hvilket substratet 38 ville kunne absorbere 5 større mængder væske, er, som nævnt ovenfor, når cellens drift er standset. Ved igangsætning bliver dette lag det første, der tømmes, fordi det har den største porestørrelse af samtlige komponenter.

10 Udtrykket substrat betegner i almindelighed det på katalysatorens bagside beliggende lag, hvorpå katalysatoren er fastlimet. Således er reservoir- eller bufferlag 24 i den her beskrevne, særligt fordelagtige udformning også et substrat. I denne beskrivelse 15 benyttes udtrykket substrat imidlertid til at betegne laget umiddelbart bag katalysatorlaget, uanset om katalysatorlaget er fastlimet på dette eller ej. Således betegnes laget 38 som et substrat, også hvis ka-todekatalysatorlaget 39 er fastlimet på ydersiden af 20 separatorlaget 12 og ikke på laget 38.

Ifølge en videreudvikling af cellen opviser reservoirlaget 24 og substratet 38 hver sine periferiske forseglingsdele 48 hhv. 50. Disse forseglingsdele er 25 indføjede mellem separatorlagets 12 kantdel 52 og gasseparatorernes 28 hhv. 20 kantdele 29, 54. Forseglingsdelene 48, 50 er imprægnerede, f.eks. med samme materiale som separatorlaget 12 består af, så forseglingsdelenes porestørrelsesfordeling er tilnærmelses-30 vis den samme, som den er i separatorlaget 12. På denne måde vil forseglingsdelene 48, 50 altid være fyldt med elektrotrolyt, så længe separatorlaget 12 er fyldt med elektrolyt. Væskeforsegling ved yderfladerne 56, 58, 60 og 62 opnås på den måde, som er be- 150425 14 skrevet i det amerikanske patentskrift nr. 3 867 206, og hvortil der henvises med henblik på nærmere detaljer. Forseglingsdelene hindrer reaktionsgassen i at sive ud af cellen. Denne opfindelse er imidlertid ik-5 ke afhængig af anvendelsen af netop den her beskrevne type forseglingsdele, men fungerer lige så godt med en hvilken som helst anden type forseglingsanordning.

Opfindelsen frembyder flere fordele i sammenligning 10 med hidtil kendt teknik. Således gælder f.eks., at den eliminerer de kostbare procedurer til hydrofobe-ring af elektrodesubstratet for at gøre elektroderne hydrofobe indenfor i det mindste udvalgte områder og således sikre de nødvendige gaspassager. Reservoirla-15 get tjener også som elektrodesubstrat, så behovet for separate substrat- og reservoirlag elimineres. I lighed med konstruktioner, som opviser separate re-servoirlag bag substratlagene, bliver hydrogendiffusionstabene potentielt mindre, fordi hydrogenstrømmen 20 kun passerer gennem reservoirlaget til katalysatoren i stedet for gennem et reservoirlag og et elektrodesubstrat. Desuden kan cellens vægt og tykkelse reduceres, fordi reservoirlaget simpelthen ikke er tykkere end et reservoirlag af kendt art eller i det mind-25 ste tyndere end kombinationen af et substratlag og et reservoirlag. Alternativt kan man for en given celletykkelse øge cellens elektrolytvolumen.

I den nedenstående tabel angives egenskaberne hos 30 forskellige kulpapirer, som er blevet afprøvet med tilfredsstillende resultat som reservoirlag ifølge opfindelsen. Det bør bemærkes, at gennemsnitsporestørrelsen for de forskellige papirer ligger indenfor området 14 til 83 pm, og at porestørrelsesfordelinger 150425 15 med såvel relativt store som med relativt små porer kan benyttes med fordel. Separatorlagene og kantfor-segelingerne i celler med disse substrat- og reservoirlag havde porerstørrelser med en fordeling på 5 mellem 1,0 og 5,0 pm.

Gennemsnit- Porestørrel- Porøsitet Tykkelse lig størrel- sesområde (pm) se (pm) min. max. (%) (pm) 10 A 83 60 110 80 483 B 41 19 85 75 356 C 59 42 86 85 381 D 59 39 86 86 457 15 E 14,4 2,5 82 82 330 F 16 3 83 83 381 G 14 6 75 75 406 H 17 3 88 88 406 20

Opfindelsen belyses nærmere nedenfor ved hjælp af nogle praktiske udformningseksempler: EKSEMPEL I 25 I en brændselscelle blev opbygget med anodereservoir-lag og katodesubstrat af det med B i tabellen betegnede kulpapir. Anodereservoirlaget manglede hydrofo-beringsmiddel, medens katodesubstratet var hydrofobe- 30 ret med polytetrafluoretylen (PTFE, teflon) i en 2 mængde på 4 mg/cm . Separatorlaget bestod af 96 % si-liciumkarbid og 4 % PTFE, var 254 pm tykt og havde en gennemsnitlig porestørrelse på 2 pm. Cellens virkningsgrad hhv. energiudbytte var lige så højt som for 150425 16 andre celler med konventionelt hydrofoberet anodesubstrat .

EKSEMPEL II 5 I en anden celle bestod reservoirlaget bag anodekatalysator laget af det i tabellen med C betegnede kulpapir og indeholdt intet hydrofoberende materiale. Katodesubstratet bestod af det i tabellen med E beteg- 10 nede kulpapir og var hydrofoberet med PFTE i en mæng- 2 de af 4 mg/cm . Reservoirlaget var det samme, som blev anvendt i eksempel I. Også denne celle fungerede med ligeså godt energiudbytte som celler, der er forsynede med konventionelle elektroder med hydrofobe-15 rende substrat.

EKSEMPEL III

En fuldstændig hydrofil celle blev også afprøvet. A-20 nodereservoirlaget bestod af det i tabellen med B betegnede kulpapir og manglede helt hydrofoberingsmid-del. Separatorlaget var det samme, som blev anvendt i eksempel I og II, og kantdelene på anodereservoirla-get og katodesubstratet var imprægnerede med silici-25 umkarbid i kombination med PTFE for at danne væske-forsegling. Bemærk overlapningen i porestørrelsesområdet mellem anodereservoirlaget og katodesubstratet.

Dette gav ingen problemer, fordi de mindre porer i det partielt fyldte anodereservoirlag, når cellen var 30 i drift, holdt katodesubstratet praktisk taget tørt.

(Det beregnede indhold af elektrolyt i katoden var mindre end 5 % af dennes porevolumen, baseret på anodens og katodens porestørrelsesfordelinger.) Skønt cellens virkningsgrad hhv. energiudbytte kun var 95 % 150425 17 af energiudbyttet fra en konventionel celle med hy-drofoberede anoder og katoder, er det ikke sandsynligt, at det lavere energiudbytte forårsagedes af funktionsprincipperne ifølge denne opfindelse.

Claims (3)

150425

1. Brændselscelle omfattende et porøst elektrolyt bindende separatorlag (12), et på den ene side af separatorlaget placeret anodekatalysatorlag (22), et på den anden side af separatorlaget placeret katodekatalysator lag (39) samt et elektrolytreservoir- eller 10 bufferlag (24, 38) ved mindst et af katalysatorlagene (22, 39) kendetegnet ved, at reservoirlaget (24, 38) er tæt forbundet med i hovedsagen hele den fra separatorlaget (12) bortvendte side af i det mindste det ene af katalysatorlagene (22, 39), 15 hvorhos elektrolytreservoirlaget (24, 38) er ubrudt, gasporøst, fuldstændigt hydrofilt i forhold til elektrolytten og i hovedsagen fri for katalysatormateriale, og elektrolytreservoirlaget (24, 38) har et porestørrelsesområde med en fuldstændig vilkårlig pore-20 størrelsefordeling, men praktisk taget uden porer, der er mindre end de største porer i separatorlaget (12), og ved et organ (18, 20), som danner et rum (28, 40) for reaktionsgassen ved elektrolytreservoir-lagets (24, 38) bort fra katalysatorlaget vendte si-25 de.

2. Brændselscelle ifølge krav 1 kendetegnet ved, at i det mindste det ene af katalysatorlagene (22, 39) er forbundet med reservoirlaget 30 (24) ved limning.

3. Brændselscelle ifølge krav 1 kendetegnet v e d , at det ene katalysatorlag er anodeka-talysatorlaget (22).