SE429700B - Brenslecell - Google Patents

Description

áof 40 7901876-s , .Denna uppgift löses enligt uppfinningen genom den i patent- 'kravets 1 kännetecknande del angivna åtgärden.

Den genom uppfinningen uppnådda fördelen består speciellt i en förhöjd långtidsstabilitet utmärkt gastäthet och förbättrad' prestationsförmåga.

Uppfinningen skall nu närmare förklaras i anslutning till ett på bifogade ritning schematiskt återgivet utföringsexempel.

Därvid visar fig. 1 den principiella uppbyggnaden av en bränslecell och samverkan mellan anodelektroden, katodelektroden och matrisen, ' fig. 2 uppbyggnaden av ett batteri.

En effektökning av en bränslecell med sur elektrolyt kan uppnås genom att öka driftstemperaturen.

Det har visat sig, att vid det kända elektrolytmatrisskiktet och temperaturer över l00°C ingen jämvikt uppkommer mellan vatten och syrehalt, så att en för stark uppkoncentration av svavelf och sulfonsyran inträffar. Koncentrationen får inte vara högre än 50-60%, eftersom svavelsyran i annat fall verkar kraftigt oxiderande och förstör anodelektrodens elektrokatalysator volframkarbid samt andra cellkomponenter.

Vid användning av denna elektrokatalysator uppkommer vidare kraftiga svängningar i den katalytiska aktiviteten-vid användning av svavelsyra-såsom elektrolyt och driftstempera- iturer omkring ao-ao°c.

Undersökningar har visat, att såsom elektrolyt använd fosfor- syra vid samma driftstemperaturer omkring 60-80°C uppvisar samma ofördelaktiga beteende som svavelsyra.

På överraskande sätt har nu funnits, att fosforsyran vid temperaturer kring l50°C har praktiskt taget ingen oxiderande effekt och att elektrokatalysatorn volframkarbid trots förhöjd fosforsyrekoncentration beter sig ytterst stabilt så att alla hittillsvarande variationer i den katalytiska ,aktiviteten är eliminerade. 40 7901876-8 Ännu något fördelaktigare resultat med avseende på stabili- teten uppnâs med polyfosforsyra såsom elektrolyt.

Elektrolytmatrisen l enligt fig. l_bestâr exempelvis av med fenolformaldehydharts bundna polyesterfibrer. Båda substanser reagerar något under föreningsbildning med den såsom elektrolyt använda polyfosforsyran. Man erhåller ett gastätt jonledande matrisskikt, vilket icke längre ändrar sin kompressibilitet efter hopmonteringen med elektroderna.

Polymerfibermatrisen doppas i 116%-ig polyfosforsyra, räknat på H3P04 och vätes under 3-20 timmar vid rumstemperatur upp till 12o°c.

En reaktionsprocess äger rum mellan syra och polymerfaser under bränslecelldriften vid ca l50°C.

Vid denna temperatur bildar polyfosforsyran kedjor med en molekylvikt på upp till l0.000 och har även vid temperaturer kring l50°C hög viskositet med utmärkta tätningsegenskaper, så att den tillförlitligt stannar i den porösa matrisen, vilket innebär att inget syreläckage inträffar.

Tillverknings- och behandlingsförfarande för matrisen Exempel l Ett polymerfiberskikt vätes vid rumstemperatur med polyfosfor- ”syra under ca 20 timmar, varefter överskjutande syre strykes av och det impregnerade polymerfiberskiktet lägges mellan anod och katod. Ca 40 dylika kombinationer staplas sedan ovanpå varandra.

Exempel 2 z Motsvarande polymerfiberskikt behandlas under 8 timmar vid l20°C med polyfosforsyra. Därvid sker en reaktion mellan syra och fiber. Därefter avstrykes återigen syreöverskottet och stapeln bygges upp.

Man erhåller ett hårt matrisskikt, vilket även vid hopsättning av celler till ett batteri icke deformeras eller skadas lst ' » 40 7901876-8 genom det uppkommande trycket.

Förutom polyesterfibrer kan såsom matrismaterial användas följande ämnen: Polyetenväv, polyfluoretenväv och polyimidfibrer samt anorga- niska oxider med polymera bindemedel såsom polyeten eller polyfluoreten.

Anodelektroden 2 enligt fig. 1 har volframkarbid såsom elektrokatalysator. ' Såsom framgår av den inledningsvis omnämnda publiceringsskrif- ten skall anodelektroden ha en tjocklek-under 0,5 mm för att uppnå små diffusionshinder. Högeffektiva volframkarbidelektro- der måste emellertid ha en tjocklek på ungefär 0,5-l mm.

Eftersom elektrokatalysatorn volframkarbid uppvisar en adsorp- tionshämning vid heterogena WCO-strukturer, erfordras många adsorptionscentra respektive en på djupet gående samverken mellan elektrolyt och katalysator.

Sålunda har den föreliggande volframkartidelektroden en tjock- lek på ungefär 1 mm och används såsom extra elektrolytbärare med mycket höga kapilärkrafter, som praktiskt taget icke bórtsköljbart fasthåller polyfosforsyran. De med elektrolyt fyllda, en radie under ca 0,1 mm uppvisande porernas 3 kapi- lärkrafter fasthåller även vid temperaturer kring l50°C poly- forforsyran 4 tillförlitligt och förhindrar således syre- läckage.

Volframkarbidelektroden förbehandlas med polyfosforsyra.

Genom polyfosforsyrans 4 inträngning i volframkarbidelektro- den 2 minskas diffusionshämningen. Således kan matrisskiktet l vara tunt och har en tjocklek på ungefär 0,0l-0,4 mm, före- trädesvis omkring 0,2 mm. Därigenom ökas jonledningsförmågan.

Såsom framgår av fig. l intränger polyfosforsyran 4 relativt långt i volframkarbidelektroden 2, så att elektrodens 2 del í5 verkar såsom elektrolytmagasin, medan elektrodens 2 res- terande del 6 utgör diffusíonsskiktet för vätet. is 40 7901876-8 Företrädesvis är elektrolytvolymen i elektroden 2 lika med eller större än i matrisskiktet 1.

Genom användning av den relativt tjocka volframkarbidelektroden 2 även som elektrolytmagasin, erhålles förbättrad stabilitet i systemet och enklare inställning av syrejämvikten. Genom G den till förfogande stående större syremängden upprätthålles jämvikten enklare under drift och först och främst vid be- lastningsändring.

Tillverknings- och impregneringsförfarande för volframkarbid- elektroden, exempel: Volframkarbid med en kornstorlek på ungefär 0,01-0,1 pm försättes med 15 viktprocent PTFE-bindemedel, utvalsas till skikt på ungefär 0,1 - 0,2 mm och sintras med ett hydrofobt bakskikt. Vätningen med polyfosforsyra sker under 20 timmar vid l50°C. Därefter avstrykes överskottssyra_och utföres staplingsprocessen såsom beskrivits vid polymerfiberskikten.

Katoden 7 är en i och för sig känd platinadopad kolelelektrod med en tjocklek på ungefär 0,l mm, som förblir ovätad.

Under en cells arbete med H2/luft eller CO/H2/luft vid temperaturer mellan 120 och l80°C samt H20-produktion, håller systemet polyfosforsyrematris och med polyfosforsyra delvis fylld volframkarbodelektrod en jämvikt mellan syrekoncentration, aktivitetszon (3-faszon); vid gasströmning kvarstår gastätheten.

Bränslecellens körning vid temperaturer mellan 100 och l50°C ger en dubbel till tredubbel effektökning jämfört med en vid ungefär 60°C körd bränslecell enligt nämnda publiceringsskrift.

Fig. 2 visar den principiella uppbyggnaden av ett bränslecell- batteri, varvid endast den första cellen antytts.

Batteriet innefattar en avledningsplatta 10, som består av med bindemedel impregnerad grafit. Därefter följer en också av grafit bestående gasledningsplatta ll med icke närmare åter- givna, varandra korsande gaskanaler för luft. Därefter följer 79018-76-8 6 en platinadopad kolkatod 12, en polyfósforsyra 4 innehållande matris 13, en med polyfosforsyra 4 delvis fylld volframkar- bidanodelektrod 14, en grafit-gasledningsplatta 15 med gas- kanaler för luft och H2, en ytterligare katodelektrod 16, sedan en elektrolytmatris 17 och en delvis elektrolyt inne- hållande anodelektrod 18 o s v.

Dessa element sammanhålles medelst ändplattor och dessa för- bindande skruvbultar, vilket icke återgivits på ritningen.

Claims (4)

10 15 7901876-8 PATENTKRAV

1. Bränslecell, innefattande ett elektrolyten kemiskt och fysikaliskt adsorberande matrisskikt med på ömse sidor därom anordnade porösa elektroder, k ä n-n e t e c k n a d därav, att elektrolyten utgöres av polyfosforsyra samt att åt- minstone en av elektroderna i sin mot matrisen vända del (S) är utförd såsom ytterligare elektrolytbärare.

2. Bränslecell enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att matrisskiktet består av polymerfibrer med fenol- hartsbindemedel samt att porstorleken ligger i storleksom- rådet 0,1 - 0,3 um.

3. Bränslecell enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a d därav, att anoden (negativa elektroden) utgöres av en volframkarbidelektrod, vilken i sin mot matrisen vända del (5) utgör den ytterligare elektrolytbäraren, medan dess resterande del (6) utgör ett gasdiffusionsskikt.

4. Bränslecell enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e - t e c k n a d därav, att elektrolytvolymen i elektroden är lika med eller större än i matrisskiktet.