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Ionen-Austauscher-Membrane für Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoff-Elemente
Die Erfindung betrifft eine Ionen-Austauscher-Membrane für Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoff-Elemente,
die auf sich gegenüberliegenden Seiten mit vorzugsweise aus platinierten Nickelnetzen
bestehenden Netzelektroden versehen ist, die mit Hilfe eines Preß- oder Walzvorganges
oder dergleichen derart in die Oberflächen der Ionen-Austauscher-Membrane eingebracht
sind, daß das jeweilige Elektrodennetz nahezu vollständig von dem Material der Austauscher-Membrane
umschlossen ist.
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Zur Speisung von Verbrauchern mit geringer Stromentnahme werden neuerdings
unter anderem sogenannte Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoff-Elemente verwendet, bei
denen eine langsame Oxydation von ifasserstoff zur unmittelbaren Erzeugung elektrischer
Energie ausgenutzt wird. Eine besondere AusfÜhrungsform derartiger Brennstoffelemente
besteht in der Regel aus zwei Gasbehältern, die durch eine semipermeable Wand, nämlich
die Ionen-Austauscher-Membrane, voneinander getrennt sind.
Hierbei
ist einer der beiden Gasbehälter mit Wasserstoff, der andere mit Sauerstoff gefüllt
und die semipermeable Wand ermöglicht eine Reaktion des Wasserstoffes mit dem Sauerstoff.
Die dabei entstehende elektrische Spannung wird mittels leitenden, gasdurchlässigen
Schichten abgenommen die auf beiden Seiten der Ionen-Austauscher-Membrane angeordnet
sind. Diese leitende Schicht wird im allgemeinen von einem aus Nickeldrähten bestehenden
Netz gebildet. Die Oberfläche des Nickelnetzes ist zusätzlich mit einem Katalysator,
beispielsweise Platinmoor, versehen, der mit Hilfe eines elektrolytischen Verfahrens
auf das Netz aufgebracht wird. Die zu beiden Seiten der Ionen-Austauscher-Membrane
angeordneten Netze bilden dann gleichzeitig die Elektroden des Brennstoffelementes,
und es ergibt das dem Wasserstoffraum zugewandte Netz zum Beispiel den negativen
Pol und das dem Sauerstoffraum zugewandte Netz den positiven Pol des Elementes.
Um den elektrischen Innenwiderstand einer derartigen Brennstoffzelle so klein wie
möglich zu halten, müssen die Elektrodennetze möglichst gut an die gesamte Oberfläche
der Ionen-Austauscher-Membrane angepreßt werden, so daß ein guter Kontakt zwischen
den Elektrodennetzen und der Austauscher-Membrane besteht. Zur Erzielung einer großen
Kontaktfläche zwischen den Netzelektroden und der Membrane werden die Netze zumeist
flach gerollt. Zur Erzielung einer guten Kontaktierung zwischen den Netzen und der
Membrane - eine Kontaktierung mittels wärme- oder vakuumtechnischer
Verfahren
ist praktisch nicht möglich, da derartige Verfahren der Membrane die Feuchtigkeit
entziehen -müssen außerdem konstruktive Maßnahmen, beispielsweise gasdurchlässige
federnde Materialien, vorgesehen werden, die einen gleichmäßigen Anpreßdruck der
Netzelektroden auf die Austauscher-Membrane gewährleisten.
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Es ist durch die britische Patentschrift 894 530 bereits eine Ionen-Austauscher-Membrane
bekannt geworden, bei der die Elektroden entweder aus einem feinen katalytisch wirksamen
Metallpulver oder aus einem feinen Metallnetz bestehen können. Als Stromsammler
sind besondere Gitter vorgesehen, die mit den Elektroden eine möglichst große Anzahl
von Kontaktstellen bilden müssen. Abgesehen davon, daß die Anbringung von Elektrodennetzen
einen zusätzlichen fertigungstechnischen Aufwand darstellt, muß bei der bekannten
Anordnung auch auf eine möglichst gute Kontaktierung der Elektroden mit den Stromsammlern
geachtet werden, wenn die Anordnung mit einem für die Praxis erträglichen Wirkungsgrad
arbeiten soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend geschilderten
Schwierigkeiten möglichst zu beseitigen; insbesondere soll eine Ionen-Austauscher-Membrane
angegeben werden, die trotz des Verzichts auf besondere Elektroden einen verhältnismäßig
hohen Wirkungsgrad bei der langsamen Oxydation
von Wasserstoff zur
unmittelbaren Erzeugung elektrischer Energie aufweist.
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Ausgehend von einer Ionen-Austauscher-Membrane für Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoff-Elemente,
die auf sich gegenüberliegenden Seiten mit vorzugsweise aus platinierten Nickelnetzen
bestehenden Netzelektroden versehen ist, die mit Hilfe eines Prell- oder Walzvorganges
oder dergleichen derart in die Oberflächen der Ionen-Austauscher-Membrane eingebracht
sind, daß das jeweilige Elektrodennetz nahezu vollständig von dem Material der Austauscher-Membrane
umschlossen ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Netzelektroden
unmittelbar die Stromsammler zur Ableitung des bei der Gasreaktion entstehenden
elektrischen Stromes bilden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert.
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In der Fig.1 ist schematisch ein Verfahren zur Aufbringung von Netzelektroden
auf eine Ionen-Austauscher-Membrane dargestellt. Hierbei wird auf eine ebene Grundplatte
G, die beispielsweise aus Stahl sein kann, ein Elektrodennetz N1 gelegt. Auf dem
Netz N1 liegt die Ionen-Austauscher-Membrane M, auf der wiederum das zweite Elektrodennetz
N2 liegt. Durch eine passend gewählte Kraft P wird nun die ebene Deckplatte D so
stark
auf die darunter liegende Anordnung gepreßt, bis das Material der Ionen-Austauscher-Membrane
M plastisch durch die Öffnung der Netzgewebe N1 und N2 hindurchgeflossen ist. Beim
Einpreßvorgang ist darauf zu achten, daß die Ionen-Austauscher-Membrane den vorgeschriebenen
Wassergehalt beibehält. Nach dem Einpressen kann dann die Ionen-Austauscher-Membrane
in jede beliebige Form zugeschnitten werden, da ein Herausfallen der Netzelektroden
unmöglich ist.
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Die Fig.2 zeigt eine stark vergrößerte Teilansicht des Querschnittbildes
einer Ionen-Austauscher-Membrane, die nach dem in Fig.1 dargestellten Verfahren
hergestellt ist. Wie man aus Fig.2 erkennt, ist das Material der Ionen-Austauscher-Membrane
M infolge des Einpreßdruekes durch die Öffnungen des Netzgewebes hindurchgetreten
und die Drähte A1 und A2 der Netzgewebe N1 und N2 sind somit fest in der Oberfläche
der Membrane M verankert. Dadurch wird die Membrane M zusammen mit den Elektrodennetzen
N1 und N2 zu einer kompakten Einheit und beim Aufbau der Brennstoffelemente sind
keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich, um die Netzelektroden an die Ionen-Austauscher-Membrane
anzupressen. Der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffelemente, der durch das
Verhältnis der entnommenen elektrischen Energie zur frei werdenden chemischen Energie
gegeben ist, wird außerdem dadurch erhöht,
daß die Netzelektroden
mit einer katalytisch wirksamen Schicht K, vorzugsweise Platinmoor, überzogen sind.
Ein weiterer Vorteil ist ferner darin zu sehen, daß durch den Einpreßvorgang die
Drähte der Netzelektroden nahezu vollständig vom Material der Ionen-Austauscher-Membrane
umgeben sind, wodurch der elektrische Innenwiderstand der Brennstoffelemente verkleinert
und damit der Wirkungsgrad erheblich vergrößert wird.