NO123440B - - Google Patents

Description

Anordning ved brenselceller.

Luft er et meget godt oksydasjonsmiddel for brenselceller. Dette gjelder selvsagt for alle brenselcellesystemer som arbeider 1 et fritt luftmiljb, f.eks. transportsystemer, såsom biler, loko-motiv, trucker og stasjonære systemer, såsom mindre kraftstasjoner .

for telekommunlkasjonsforbindelser, fyrtårn, boyer og automatiske værstasjoner. Ved anvendelse av luft som oksydasjonsmiddel oppstår, særlig for små brenselcellesystemer uten stbrre kraftreserver som ikke kan tillates ved små systemer, vanskeligheten ved opprett-

holdelse av den trykkforskjell mellom luftelektrodens luftside og elektrolyttside som er nddvendig for at den porbse elektrodes porer ikke skal fylles helt av væske og dermed tape nesten all aktivitet.

Vanligvis benyttes den fremgangsmåte å gjore elektroden væskeavstbtende, hvilket kan skje f.eks. ved at porene belegges med voks e~:r r-ar -rin eller ved at der tilsettes polytetrafluorethylen-partik^ • til pulver som den porbse elektrode fremstilles av.

Ved en -.?,dan v;-.r:savstbtningsbehandling hindres' elektrolytten i å trenge jennom elektroden ut tii luftatmosfæren, slik at elektrolytten- --^nisk rf late inntar en likevektstillmg i den porbse elektrode. Ved lange driftstider oppstår det ofte vanskeligheter når det hydrofobe middels effekt avtar ved oppståtte belegg,

kjemiske reaksjoner etc, slik at elektroden til slutt fylles heit av elektrolytten. Dette aidringsfenomen har vist seg særlig ut-

preget ved bruk av i elektrolytten opplost brensel, f.eks. metanol,

på grunn av at overflatespenningen da blir særlig nedsatt. Hydro-fobering medfbrer også en ugunstig effekt, idet det hydrofobe materiale delvis skjermer av katalysatoroverflaten. Anvendelse av polytetrafiuorethylen som hydrofoberlngsmateriale medfbrer også at en lav sintringstemperatur må benyttes ved elektrodens fremstilling, hvilket på sin side medfbrer at en bnskelig mekanisk fasthet hos elektroden ikke kan oppnås.

Nbdvendig trykkforskjell mellom luftelektrodens begge sider kan ogs'å opprettholdes ved at en kapillaraktiv membran presses mot elektroden på elektrolyttsiden. En sådan membran kan f.eks. bestå

att asbest eller et annet porbst materiale med meget fine porer.

Derved hindres at elektrolytten trenger gjennom elektroden som

folge av en "trekkpapireffekt". Også i dette tllfeltekan den kapil-laraktive effekt avta ved lange driftstider av samme grunn som an-

gitt for hydrofoberte elektroder. Ved brenselceller med sirkulerende elektrolytt oppstår også den ulempe at elektrolyttmotstanden oker sterkt, slik at en gjennomstrbmning av elektrolytt gjennom elektrolyttrommet blir vesentlig vanskeliggjort.

Foreliggende oppfinnelse går ut på å skaffe et brenselcellesystem som er selvforsynende med hensyn til energibe-

hov i lang tid og som kan arbeide i lang tid uten at ugunstige for-andringer av elektrodene finner sted.

Oppfinnelsen angår således en anordning ved brenselceller

som omfatter minst én brenselcelle med en i et elektrolyttrom anordnet, flytende elektrolytt, i v i kontakt med elektrolytten og med brenselcellens brensel anordnet brenselelektrode og en i kontakt med elektrolytten<p>g med luftatmosfæren anordnet luftelektrode som har en mot luftatmosfæren vendt side og en mot elektrolytten vendt side og omfatter minst to porbse skikt med ulike porbsitet, hvorav det skikt som vender mot elektrolyttsiden, har finere porer enn det

F

skikt som vender mot luftatmosfæresiden, kjennetegnet ved at elektrolyttrommet med en ledning som kan åpnes og lukkes, er forbundet med en evakuert beholder, i hvilken det opprettholdes et lavere trykk enn atmosfæretrykket, med en evakueringspumpe som er forbundet med beholderen med en ledning som kan åpnes og stenges, hvilken pumpe er anordnet for intermittent drift med i brenselcellen utvunnet elektrisk energi samt $fc elektrolytten er anordnet i en elektrolyttkrets som inneholder et forrådskar med elektrolytt og med et i forhold til elektrolyttrommet stort volum. Den for elektrodefunksjonen nbdvendige trykkforskjell mellom luftatmosfæresi den og elektrolyttsiden, kan opprettholdes i meget lang tid, f.eks. tiden mellom to brenselpåfyllinger ved anvendelse av i elektrolytten opplost brensel, hvis den evakuerte beholder gjores meget stor i forhold til de gassmengder som tilfores elektrolyttrommet utenfra.

Den intermittente drift av evakueringspumpen medfbrer at

en meget liten del av den i brenselcellen utvunne elektriske energi går med for opprettholdelse av trykkforskjellen. Beholderen kan evakueres ved at den forbindes med brenselcellen over en ledning som kan åpnes og lukkes.

Ved at elektrolytten er anordnet i en elektroiyttkrets som inneholder et forrådskar med elektrolytt, kan en bnsket fornyelse av elektrolytten i brenselcellen skje ved at elektrolytten sirku-lerer i kretsen. Dette er av betydning ikke minst for brenselceller med i elektrolytten opplost brensel, fordi elektrolyttmengden og dermed brenselmengden da kan gjores så stor at nytt brensel ikke behbves tilfort for etter lang tids drift.

I det skikt i luftelektroden som vender mot luftatmosfæresiden, dvs. skiktet med de grovere porene, er porenes midlere diameter så stor, fortrinnsvis 10-100|im, at en forholdsvis liten trykkforskjell kan benyttes som det beste arbeidstrykk, f.eks.

0,05 - 0,6 atm., og fortrinnsvis 0,1 - 0,M- atm. I det skikt som vender mot elektrolytten, dvs. skiktet med de finere porer, er de stbrste porers diameter fortrinnsvis 1-30 pn. Ved å utforme sistnevnte skikt med en tykkelse på minst 0,2 mm og en stbrste poredia-meterfsom er mindre enn det aktive skikts midlere porediameter, er det praktisk talt ingen risiko for at luft skal boble inn i elektrolytten ved rimelige trykkforskjeller.'

Dersom et brensel i gassform, såsom ren hydrogengass eller en gass som inneholder hydrogengass, og f.eks. nitrogengass eller karbondioksyd, tilfores brenselelektroden, er også denne elektrode utformet med to porbse skikt, det ene vendt mot brense]siden og forsynt med grovere porer, og det andre vendt mot elektrolytlsiden og forv-nt med Pinere norer. For disse to skikt velges poredia-metre hhv. tyl'-.eiser i overensstemmelse med hva som er angitt for de tilsvarende skikt i luftelektroden.

Ders mi det benyttes et i elektrolytten opplost brensel, behovtv- brens ; iwlekLroucn selvsagt ikke bestå av to skikt. Den er da gjerne poros og består f.eks. av bare ett skikt.'Som eksempel pa passende brenseltyper, som kunne anvendes opplost i den fortrinnsvis alkaliske elektrolytt. kan nevnes bl. a. metanol,

andre lave enverdige alkoholer, glykol, maursyre eller formiater og hydrazin. Metanol og. maursyre hhv. formiater foretrekkes særlig av dkonomiske og praktiske grunner.

Elektrolytten består fortrinnsvis av en alkali-hydroksyd, såsom en vannopplbsning av kaliumhydroksyd, med 1-35 vektprosent hydroksyd.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere i det folgende ved beskrivelse av utfbrelseseksempel under henvisning til tegningen, der fig. 1 viser en anordning ifblge oppfinnelsen med et i elektrolytten opplost brensel og fig. 2 viser en anordning ifolge oppfinnelsen hvor det anvendes et gassformig brensel.

Brenselcellen 1 ifolge fig. 1 har en brenselelektrode 2

og en luftelektrode j. Brenselelektroden 2 består av en poros plate av sammensintrede nikkelpartikler. På elektroden og i dennes porer, hvis middeldiameter er 10 jim, er det anordnet et belegg som består av en blanding av palladium, platina og rutenium. Platina-metallene kan utgjore en mengde på 0,01 - 5>f.eks. 0,5 prosent av elektrodens vekt. Platens tykkelse er ca. 1,5 mm.

Luftelektroden 3 består av et for elektrodereaksjonen aktivt skikt 4- med grovere porer og et inaktivt skikt 5 med finere porer. Det aktive skikt 4- består av en sammensintret blanding av sbiv- og nikkelpartikler, hvor solv^ ) utgjor 4-0 vektprosent og nikkeli :. 60 vektprosent. Middeldiameteren for porene er ca. 35 Jim og skiktets tykkelse er ca. 1,5 mm. Det inaktive skikt■" 5 består av nikkelpartikler som er blitt presset og deretter sintrét på skiktet 4-. Diameteren for de stbrste porer i dette skikt er ca. 10 pm og skiktets tykkelse er ca. 0,<*>+ mm.

Den i elektrolyttrommet 6 anordnede elektrolytt 7 består

av en vannopplbsning av kaliumhydroksyd som inneholder 20 - 25 vektprosent K0H. Elektrolytten er også tilsatt metanol, eller maursyre, hvilket utgjor brenselcellen; brensel, i et innhold av 10 prosent av den"cotale vekt iv vann. kaliumhydroksyd og metanol.

Elektrolytten på begge sider av brenselelektroden 2 står i inn-byrdes kontakt via elektrodens porer.

Luf telektroden atar i kontakt med den utenfor skiktet 4 liggende luftatmosfære.

Elektrolyttrommet 6 står over ledningene 8 og 9, hvor -den sistnevnte inneholder en pumpe 10 i forbindelse med et forrådskar 11 som inneholder elektrolytt og i denne opplost metanol eller maursyre. Ved hjelp av pumpen kan elektrolytten bringes til å sirkulere i den således sammensatte, ilattede krets. Ved å gjore forrådskarets volum stort i forhold til elektrolyttrommets volum kan brenselcellen holdes i drift lenge uten fornyelse av elektrolytten og tilfbrsel av nytt brensel.

Elektrolyttrommet 6 er forbundet med den evakuerte beholder 12 over ledningen 13 som inneholder den åpnings- og stengningsbare ventil 14. Gassrommet 16 ovenfor væsken i forrådskaret 11 står via ledningene 15 og 13 i forbindelse med gassrommet 17 ovenfor væsken i elektrolyttrommet 6. Trykkforskjellen over luftelektroden 3 kan avleses på manometeret 18, som med ledningen 19

er forbundet med ledningen 13• Beholderen 12 er nedentil forsynt med en ledning 20 som inneholder en ventil 21 for avledning av eventuelt dannet kondensat.

Beholderen 12 kan evakueres til et trykk tilsvarende damptrykket over elektrolytten med pumpen 22 som via ledningen 23 med den åpnings- og stengningsbare ventil 24 er forbundet med ledningen 13. Pumpen drives ved utnyttelse av i brenselcellen utvunnet energi. Pumpens drivanordning, en motor 32, er således forbundet med et akkumulatorbatteri 33 som lades av brenselcellen. Når evakueringen er klar stenges ventilen 24 samtidig som ventilen 14- åpnes, dersom den ikke er blitt åpnet under den senere del av evakueringen. Således utjevnes trykket i beholderen 11, i elektrolyttrommet 6 og beholderen 12. T)ersom beholderen 12 gis stort volum i forhold til gassrom i elektrolyttrommet 6, kan brenselcellen drives under lang tid innen ny evakuering er nbdvendig. En^:"dan evakuering av beholderen 12 kan skje ikke bare i forbindelse med utskifting av elektrolytt og brensel, men også under drift.

Dersom trykkmåleren 18 anordnes 1 en elektrisk regulcrings-krets på en slik måte at det ved et visst trykk i elektrolyttrommet gis et signal til vakuumpumpens 22 drivanorJning 32 o^til .. • '..: let: 24, slik at pumpen 22 startes og ventilen 24 åpnes ved dette trykk, og.at pumpen 22 stoppes og ventilen 24 stenges ved oppnådd nod- vendig undertrykk, kan hele anordningen ifolge figuren bringes til å arbeide under selvregulering. Signalet fra trykkmåleren 18 er ogs"- anordnet for å påvirke ventilen 14- slik at denne stenges ved de fbrstnovi■ te trykk, for å åpnes på nytt når beholderen 12 er eva. ;.iert.

Ved anordningen ifolge fig. 2 består brenselelektroden 25 av et porbst skikt 26 av samme materiale som brenselelektroden 2 og med samme norestruktur som skiktet 4 ved anordningen ifolge fig. 1. På dette skikt er anordnet et skikt med finere porer 27. Dette skikt er av samme type som skiktet J> på luf telektroden ifolge fig. 1. Utenfor brenselelektroden er et gassrom 28 anordnet, hvilket tilfores et gassformig brensel av atmosfæretrykk, f.eks. hydrogengass fra en ikke vist beholder, via innlbpet 29. Ved brenselelektroden ikke forbrukt gass avgår'via utlbpet 30. Elektrolyttrommet 31 befinner se,- i sin helhet mellom brenselelektroden 25 og luftelektroden 3« Evakuering av beholderen 12 skjer på samme måte som beskrevet for anordningen ifolge fig. 1, liksom tilveie-bringelse av den nbdvendige trykkforskjell over begge elektrodene.

■ I brenselelektroden kan det i stedet for nikkel i det aktive skikt 2 hhv. 26 anvendes andre metaller, såsom kobolt og jern aktiverte med platinametaller, videre bl. a. Raney-metaller, såsom Raney-nikkel og Raney-kobolt, hvorved elektrodematerialet vanligvis inneholder et bæremateriale, såsom nikkel eller kobolt.

I luftelektroden kan det i stedet for blandingen av nikkel og sblv i det aktive skikt 4- anvendes bl. a. sblv, platina, palladium, platinert kull eller mangandioksyd.

De inaktive skikt 5 og 27 kunne foruten av det som eksempel angitte materiale bl. a. bestå av keramiske materialer, såsom aluminiumoksyd, aluminiumsilikat, zirkonoksyd og thoriumoksyd.

Claims (1)

1. Anordning ved brenselceller omfattende minst én brenselcelle med, en i et elektrolyttrom anordnet, flytende elektrolytt,

   en i kontakt med elektrolytten og med brenselcellens brensel anordnet brenselelektrode og en i kontakt med. elektrolytten og med luftatmosfæren anordnet luftelektrode som har en mot luftatmosfæren vendt side og en mot elektrolytten vendt side og omfatter minst to porose sjikt med ulik porositet, hvorav det sjikt som vender mot elektrolyttsiden, har finere porer enn det sjikt som vender mot luftatmosfæresiden,karakterisert vedat elektrolyttrommet over en ledning som kan åpnes og stenges, er forbundet med en evakuert beholder i hvilken et lavere trykk enn atmosfæretrykket er anordnet for å opprettholdes med en evakueringspumpe som er forbundet med beholderen over en ledning som kan åpnes og stenges, hvilken pumpe er anordnet for å drives intermitterende ved hjelp av elektrisk energi som er utviklet i brenselcellen, og at elektrolytten er anordnet i en elektrolyttkrets som inneholder et forrådskar med elektrolytt med et i forhold til elektrolyttrommet stort volum.