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Gasdiffusionselektrode für elektrochemische Zellen Gegenstand der
Erfindung ist eine Gasdiffusionselektrode für den Einsatz in elektrochemischen Zellen,
insbesondere Brennstoffelementen. In der Regel haben solche Elektroden die Form
einer Platte mit zwei ebenen, vorzugsweise parallelen Oberflächen.
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In ihrer einfachsten Form ist eine Gasdiffusionselektrode ein poröser
Körper, der membranartig als Trennwand zwischen zwei Räumen angeordnet ist. Der
eine Raum enthält den Elektrolyten und die Gegenelektrode, der andere ist mit dem
Reaktionsgas angefüllt. Zur Überwindung des Kapillardruckes, mit dem der Elektrolyt
in die Poren der Elektrode einzudringen sucht, steht das Gas unter einem gewissen
überdruck. Dabei stellt sich die für die elektrochemische Umsetzung des Gases notwendige
Dreiphasengrenze zwischen Elektrode, Elektrolyt und Gas ein.
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Wenn man auf der Elektrolytseite feine Poren und auf der Gasseite
grobe Poren vorsieht, kann man erreichen, daß trotz des Überdruckes kein Gas bläschenförmig
durch die Elektrode in den Elektrolyten entweicht. Man baut zu diesem Zweck die
Elektroden aus zwei Schichten auf, von denen die feinporige Deckschicht dem Elektrolyten
und die grobporige Arbeitsschicht dem Gasraum zugewandt ist. Der Druck des Gases
wird so gewählt, daß sich die Dreiphasengrenze in der Trennfläche der beiden Schichten
einstellt.
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Solche Elektroden sind wegen der membranartigen Belastung durch den
Gasüberdruck großen mechanischen Kräften ausgesetzt. Da die Elektrodenfläche quadratisch
mit dem Radius der Elektrode wächst, steigen auch die Druckkräfte, denen die Elektrode
standhalten muß, mit dem Quadrat des Radius. Im Interesse genügender mechanischer
Festigkeit muß man also bei Vergrößerung der Elektrodenoberfläche auch die Dicke
der Elektroden vergrößern, was in vielen Anwendungsfällen unerwünscht ist.
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Wie an anderer Stelle bereits vorgeschlagen, kann man diese Schwierigkeiten
dadurch vermeiden, daß man die Elektrode als sogenannte Janus-Elektrode ausbildet.
Bei einer Janus-Elektrode sind zwei Elektroden des oben beschrieben Aufbaus mit
ihrer Gasseite zusammengebacken, gegebenenfalls mit einer porösen Gasleitschicht
als Zwischenschicht. Eine solche Elektrode ist in Fig. 1 a schematisch dargestellt.
Man erkennt in der Schnittansicht die beiden Deckschichten A, und A" die
Arbeitsschichten B1 und B2 sowie die Gasleitschicht C. Da in jedem Teilbereich der
Elektrode die auftretenden Druckkräfte durch Gegendruckkräfte aufgehoben werden,
sind Janus-Elektroden keiner Membranbelastung ausgesetzt. Sie arbeiten beidseitig
unter Stromlieferung an den angrenzenden Elektrolyten. Teilt man die Gasleitschicht
C3 C4 durch eine undurchlässige Metallschicht D und bildet die Deckschicht A3 und
die Arbeitsschicht B3 für Wasserstoff, die Deckschicht A4 und die Arbeitsschicht
B4 für Sauerstoff aus, so ergibt sich der Bipolartyp der Gasdiffusionselektrode
gemäß Fig. l b. Derartige Elektroden mit zwischengeschalteten Elektrolytschichten
gestatten den Aufbau der einfachsten in Serie geschalteten Knallgaselemente. Die
Elektrolytschichten werden galvanisch getrennt, um Nebenschlußströme zu vermeiden.
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Bei der praktischen Anwendung von Gasdiffusionselektroden ist auf
den Anschluß von Gas- und elektrischen Leitungen sowie auf den Elektrolytkreislauf
Rücksicht zu nehmen. Beispielsweise muß man bei Brennstoffelementen den Arbeitsschichten
der Elektroden kontinuierlich Brenngas bzw. Sauerstoff zuführen. Der Elektrolytkreislauf,
aus dem z. B. in Knallgaselementen das Reaktionswasser fortlaufend zu entfernen
ist, muß in dem nur wenige Millimeter betragenden Zwischenraum der Elektroden vor
sich gehen. Die elektrischen Kontakte, die Gaszu-und -ableitungen und Leitungen
für den Elektrolytkreislauf werden dabei am Umfang der Elektroden angeordnet.
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Dies bringt beträchtliche konstruktive Schwierigkeiten mit sich, wenn
man nicht den Ausweg beschreitet, nur wegen dieser Anschlüsse die Elektroden
dicker
und die Abstände größer als erforderlich zu machen. Dies hat wiederum andere schwerwiegende
Nachteile. Dicke Elektroden führen zu unnötig hohem Gewicht und Raumbedarf; große
Elektrodenabstände führen außerdem zu einem hohen Elektrolytwiderstand und damit
zu Energieverlusten bei Belastung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile-
zu vermeiden und die konstruktive Ausbildung der verschiedenen Anschlüsse entscheidend
zu vereinfachen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Elektrode mit
einer oder mehreren gasdicht abgeschlossenen Durchbrechungen versehen ist, die die
beiden Elektrodenoberflächen verbinden. Die Durchbrechungen können kreisförmigen
Querschnitt haben und entweder senkrecht oder unter einem gewissen Winkel zur Elektrodenoberfläche
geführt sein. Die Wände der Durchbohrungen werden zweckmäßig mit Gummi, Kunststoff
oder anderen gasdichten Materialien abgedichtet, die in Form von Manschetten verwendet
werden können.
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Die Erfindung ist grundsätzlich auch bei der eingangs geschilderten
einfachsten Form von Gasdiffusionselektroden anwendbar, wenn man dafür sorgt, daß
die Durchbohrungen, durch die beispielsweise Leitungen für den Elektrolytkreislauf
geführt sind, gegen den Gasraum dicht abgeschlossen sind. Zu diesem Zweck kann man
beispielsweise die Manschetten so ausbilden, daß sie sowohl die Innenwand als auch
den offenen Querschnitt der Durchbrechung rund um die durchgeführte Zuleitung abdichten.
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Besondere Bedeutung hat die Erfindung für die Janus-Elektrode mit
Gasleitschicht. Die Abdichtung der Durchbrechung kann bei solchen Elektroden zur
Verbindung mit Gaszuführungsleitungen durchbrochen sein, und zwar am Ort der Gasleitschicht.
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Die Durchbrechungen können darüber hinaus als Kanäle für den Elektrolytkreislauf
und zur Aufnahme elektrischer Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Elektroden
dienen. In konsequenter Anwendung des Erfindungsgedankens kann man elektrochemische
Zellen aufbauen, bei denen die Randzone der Elektroden frei von jeglichen Gas-,
Elektrolyt- oder elektrischen Anschlüssen ist.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung seien im folgenden Ausführungsbeispiele
beschrieben, die in Fig. 2 und 3 schematisch dargestellt sind.
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Gasdiffusionselektroden werden meist durch Sintern oder Heißpressen
aus den pulverförmigen Ausgangsmaterialien hergestellt. Die Durchbrechungen können
beim Pressen oder zweckmäßig nach der Ausformung der Elektroden erzeugt werden.
Man erhält dann beispielsweise eine Janus-Elektrode nach Fig. 2 a mit den Deckschichten
A, den Arbeitsschichten B, der Gasleitschicht C und der Durchbohrung D. In diesem
Zustand würde aus der Gasleitschicht C Gas in die Durchbohrung ausströmen. Zum gasdichten
Abschluß der Durchbohrung kann man gemäß Fig. 2b aushärtende KunststoffkleberKl,
beispielsweise Araldit, verwenden, die die Elektrode benetzen, in die Poren vom
Rand her eindringen und diese verstopfen. Eine andere Möglichkeit besteht in der
Verwendung von Manschetten K aus thermoplastischen Kunststoffen gemäß Fig. 2 c,
die unter Druck bei erhöhter Temperatur ausgeformt werden.
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Statt dessen kann man auch, wie Fig. 2 d zeigt, ein plastisches Dichtungsmaterial,
wie Gummi G, mittels einer hohlnietartigen Manschette N auf die Wände der Durchbohrung
aufdrücken.
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Die Anwendung von Elektroden nach der Erfindung und ihre Vorteile
sind an den Beispielen der Fig.3 veranschaulicht. Es bestehen selbstverständlich
noch viele andere Anwendungsmöglichkeiten unter sinngemäßer Abwandlung der dargestellten
Bauformen.
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In Fig. 3 ist eine elektrochemische Zelle mit Janus-Elektroden für
Sauerstoff E0 und für Wasserstoff EH dargestellt, die elektrisch parallel geschaltet
werden. Der Einfachheit halber ist in Fig. 3 a die innere Schichtung der Elektroden
nicht dargestellt. Sie sind in einem Elektrolyttrog T angeordnet und werden über
Bohrungen Bo im Trog an die Gaszu- bzw. -abfuhr angeschlossen. Die Abdichtung der
Elektroden in der Randzone erfolgt mittels gummiartiger Dichtungen Di, die auf Dichtungsringen
Dr liegen und beim Aufeinanderpressen der Elektroden an die Innenwand des Troges
T und auf die Deckschichten der Elektroden aufgedrückt werden. Die Elektroden sind
erfindungsgemäß mit gasdicht abgeschlossenen Durchbohrungen versehen, und zwar handelt
es sich beim Beispiel der Fig. 3 a um abwechselnd oben und unten angeordnete Kanäle
Ka, durch die der Elektrolyt im Kreislauf von 1 nach 2 in Pfeilrichtung durch die
Elektrolyträume R fließt. Die nicht dargestellten elektrischen Anschlüsse werden
in diesem Fall, ebenso wie die Gasleitungen, in der Randzone der Elektroden angeordnet.
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Die Gaszu- und/oder -abführung über die Durchbohrungen ist in Fig.
3 b schematisch angedeutet. Die Gasleitung ZO, in diesem Fall für die Sauerstoffzufuhr,
ist mittels der Dichtungsmanschette M in die Durchbohrung der Sauerstoffelektrode
E0 gasdicht eingeführt. Am Ort der Gasleitschicht sind eine oder mehrere radiale
Öffnungen in die Gasleitung vorgesehen, über die das Gas in die Leitschicht einströmt.
Durch die vorstehenden Teile der Dichtungsmanschette M werden die Bohrungen sowohl
der Wasserstoff- als auch der Sauerstoffelektrode beim Andrücken gasdicht abgeschlossen.
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Schließlich ist in Fig. 3 c eine Möglichkeit dargestellt, sämtliche
Gas-, Elektrolyt- und elektrischen Anschlüsse in den inneren Bereich der Elektroden
zu verlegen. Hierbei sind Janus-Elektroden verwendet worden, die aus zwei mittels
einer Isolierschicht I getrennten gleichartigen Teilen bestehen. Die Gasleitschicht
erstreckt sich dabei beiderseits der isolierenden Schicht. Man erhält auf diese
Weise eine elektrische Isolation zwischen den beiden Oberflächen der Elektrode.
Um die Elektroden von den bisher behandelten zu unterscheiden, sind sie in Fig.
3 c mit EHI (Wasserstoffelektrode) und EOI (Sauerstoffelektrode) bezeichnet.
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Die Gaszufuhr erfolgt über eine mittels Manschetten M gasdicht eingeführte
Gasleitung, beispielsweise die Wasserstoffleitung LH in Fig. 3 c. Es ergibt
sich damit die durch Pfeile in den Elektroden dargestellte Gasströmung von innen
nach außen. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt analog und ist der übersichtlichkeit halber
nicht dargestellt.
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Sämtliche der in Fig. 3 c dargestellten Durchbohrungen sind an ihren
Wänden in geeigneter Weise abgedichtet. Man kann daher die Durchführungen der Brenngasleitung
LH durch die Sauerstoffelektroden EOI bzw. die Durchführung der Sauerstoffleitung
durch die Wasserstoffelektroden EHI auch für den
Elektrolytkreislauf
benutzen. Der Elektrolyt strömt dabei in der Richtung der zwischen den Elektroden
eingezeichneten Pfeile.
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Da die Oberflächen der Elektroden elektrisch voneinander isoliert
sind, kann man jeweils eine Oberfläche einer Wasserstoffelektrode mit der entsprechenden
Oberfläche der benachbarten Sauerstoffelektrode mit Hilfe von Kontaktstücken K;,
K- verbinden. Die Pole der so entstehenden Batterie sind mit -I- bzw. -bezeichnet.
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Die Bohrungen für den Elektrolytkreislauf verursachen bei Serienschaltung
einen geringen Nebenschlußstrom, der einen Verlust an Energie bedeutet. Man kann
die transportierte Ladung bzw. den über die Zeit gemittelten Strom jedoch auf verschwindend
kleine Werte in der Größenordnung von mA vermindern, wenn man die Kanäle mit Ventilklappen
versieht, die die Durchbohrungen normalerweise geschlossen halten. Führt man den
Elektrolyttransport stoßweise durch, so öffnen sich die Ventilklapppen entweder
gegen Federdruck oder durch Schiebersteuerung nur in den Transportintervallen.
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Die Gasdiffusionselektrode gemäß der Erfindung eignet sich zur Verwendung
in elektrochemischen Zellen jeder Art, vor allem für Brennstoffelemente und Elektrolysezellen.
Die Form und Anzahl der Durchbohrungen hängt dabei von den konstruktiven Gegebenheiten
der Gesamtanordnung ab. In jedem Falle bieten sie die Möglichkeit zu einer beträchtlichen
Vereinfachung des Aufbaus und zur Erhöhung des Leistungsgewichts.