DE1671959C3 - Brennstoffelement - Google Patents
BrennstoffelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement mit Nickelelektroden und einem Alkalihydroxidelektrolyten
zum Betreiben bei Temperaturen zwischen 177 und 260° C.
Bei derartigen Brennstoffelementen ist die Nickelschicht,
welche während des Betriebes in ständigem Kontakt mit dem Elektrolyten ist, einer hohen Korrosion
unterworfen, die durch die hohe elektrochemische Korrosionsgeschwindigkeit des Nickels bedingt
ist. Diese Korrosion entsteht h&uptsächlich durch die Bildung eines lösbaren Nickeloxides NiO4,
im lolgenden »Nickelat« genannt, an der Sauerstoffelektrode des Brennstoffelementes. Die Auflösung
der Nickelelektrode führt nicht nur zu einer Zerstörung derselben, sondern auch dazu, daß nach einer
bestimmten Betriebsdauer Nickel in beträchtlichen Mengen zur Brennstoffelektrode wandert und dort
an der Elektrode abgeschieden wird. Dieses Nickel bildet vorzugsweise Dendriten an rauhen Vorspriin-Igen
oder an Fehlerstellen der Elektrode. Diese können den Spalt zwischen der Brennstoffeleklrode und
der Oxidationsmittelelektrode überbrücken und das gesamte Brennstoffelement somit kurzschließen. Die
Wanderung der Nickelionen durch den Elektrolyten in der Nähe der Brennstoffelektrode setzt die Konzentration
des Nickels nahe der Oxidationsmittelelektrode herab, wodurch andererseits die Geschwindigkeit
der weiteren Auflösung der Oxidationsmiltelelektrode
vergrößert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffelement zu schaffen, welches ein verringertes
Nickeldendritenwachstum und also eine höhere Lebensdauer aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß der Raum zwischen den Elektroden Cer- oder Thoriumoxid
einer Korngröße zwischen 5 und 100 Mikron und den durch die gesamte Füllung verteilten
Alkalihydroxidelektrolyten enthält.
959
Es ist zwar bereits bei Brennstoffelementen bekannt schmelzflüssigen Elektrolyten Thoriumoxid
beizumengen, jedoch wurde diese Beimengung lediglich als Füllstoff verwendet, um einen festen Elektrolytkörper
zu erzeugen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.
Die einzige Figur ist eine Schnittansicht durch ein Brennstoffelement nach der Erfindung.
Das in der Zeichnung dargestellte Brennstoffelement 10 umfaßt im Abstand voneinander liegende
Elektroden 18 und 20. Der Zwischenraum 30 zwischen diesen Elektroden ist mit Ceroxiden oder Thoriumoxiden
gefüllt und enthält ebenfalls einen Elektrolyten Das Brennstoffelement wird bei einer Temperatur
zwischen 177 und 260° C betrieben und ist ein sogenanntes »Bacon«-Element.
Die Elektroden sind von einem Brennstoffelementengehäuse 11 gasdicht umgeben.
Beide Elektroden sind aus porösem Nicke] hergestellt.
Die Oxidationsmittelelektrode 18 besteht aus einer grobporigen Schicht 18 a und einer feinporigen
Schicht 18b, die an einer Grenzschicht 19 zusammengefügt
sind. Die grobporige Schicht 18 a ist einetr Oxidationsgaseinlaß 14 zugewandt, während die feinporige
Schicht 18 b dem Elektrolyten zugewandt ist.
Die Brennstoffelektrode 20 besteht ebenfalls aus einer grobporigen Schicht 20 a und einer feinporigen
Schicht 20 b aus Nickel, die an einer Grenzschicht 21 zusammengefügt sind. Die grobporige Schicht 20 a ist
einem Brennstoffeinlaß 24 zugewandt, während die feinporige Schicht 206 dem Elektrolyten zugewandt
Der Oxidationsgaseinlaß 14 und der Brennsioffeinlaß
24 münden in eine Oxidationsgaskammer 12 bzw. eine Brennstoffkammer 22, die direkt an die betreffenden
Elektroden angrenzen.
An die Oxidationsgaskammer 12 und die Brennstoffkammer
22 sind noch Auslaßleitungen 16 bzw. 26 angeschlossen.
Der Raum zwischen den Elektroden 18, 20 ermöglicht eine Verformung der Elektroden und ein gewisses
Dendritenwachstum an der Brennstoffelektrode.
Als Elektrolyt dient eine konzentrierte Lösung von Kaliumhydroxid oder einem anderen Alkalimetallhydroxid,
z. B. Natriumhydroxid, Rubidiumhydroxid, Cäsiumhydroxid oder Lithiumhydroxid.
Die Konzentration des Elektrolyten sollte wenigstens 60 0Zo betragen und kann beliebig hoch sein,
wobei auch geschmolzene Alkalimetallhydroxide verwendet werden können. Die bevorzugte Konzentration
ist 70 bis 85 °/o.
Das in dem Zwischenraum 30 vorhandene Ceroxid oder Thoriumoxid verzögert die Auflösung der Oxidationsmittelelektrode
beim Betrieb des Brennstoffelementes bei mittlerer Temperatur und die Wanderung des aufgelösten Nickels zur Brennstoffelektrode,
wodurch die Lebensdauer verlängert wird.
Diese Füllung verringert die Beweglichkeit des Nickels in dem Brennstoffelement bei Auflösung in
dem Elektrolyten. Die Hauptwirkung der Füllung besteht jedoch im Aufbau einer gesättigten Lösung von
Nickelat-Ionen. Diese gesättigte Lösung verhindert eine weitere Auflösung der Sauerstoffelektrode in dem
Elektrolyten. Solange eine gesättigte Lösung von Nickelat in der Umgebung der Oxidationsmittelelek-
trode vorhanden ist, erfolgt keine weitere Auflösung derselben in dem Elektrolyten. Der Aufbau und die
Beibehaltung der gesättigten Lösung von Nickelatlonen od. dgl. in der Umgebung der Oxidationsmittelelektrode
werden durch die Ceroxid- oder Thoriumoxidfüllung oder Mischungen dieser Oxide erreicht.
Eine unerwünschte Wanderung des Nickels von der Umgebung der Oxidationsmittelelektrode zur
Brennstoffelektrode wird durch Temperatumeigerungen, Schwingungen, durch die Schwerkraft und
durch mechanische Erschütterungen begünstigt. Die erfindungsgemäß zugesetzten Oxide verringern auch
diese Einflüsse.
Die Ceroxid- oder Thoriumoxidteilchen sollen eine Teilchengröße von 5 bis 100 Mikron und vorzugsweise
von wenigstens 20 Mikron haben. Teilchengrößen zwischen 20 und 50 Mikron sind besonders
wirksam. Die Teilchen sollten nicht so klein sein, daß sie die Durchgänge in dta Poren der ao
Nickelelektrode versperren, durch welches das Gas hindurchgelangen muß, um die Flüssigkeits-Gasgrenzschicht,
an welcher die Reaktionen stattfinden, zu bilden.
Die Ceroxid- und Thoriumoxidteilchen sind in dem Raum zwischen den Elektroden so dicht als möglich
gepackt, so daß sie im wesentlichen den ganzen Raum füllen. Die Füllung erfolgt gewöhnlich durch Löcher
in dem Deckel des Brennstoffelements, und durch Röntgenaufnahme wird die vollständige Füllung desselben
überwacht.
Die kompakte Füllung des Zwischenraumes hat die weitere Funktion, daß das Brennstoffelement bei
Bewegung oder Ausbeulung der Elektroden zueinander während des Betriebes nicht funktionsunfähig
wird.
Die Füllung erzeugt eine leichte Zunahme des Innenwiderstandes des Brennstoffelementes, da die Gesamtleitfähigkeit
des Elektrolyten herabgesetzt wird. Andererseits läßt sich der Zwischenraum zwischen
den Elektroden verringern, wodurch wiederum der Innenwiderstands verringert wird, so daß sich im
ganzen gesehen ein Ausgleich ergibt.
Durch die Auslaßleitungen 16 und 26 wird das verbrauchte Oxidationsgas bzw. Brenngas abgeführt,
welches Wasser enthält, das während der Reaktion im Brennstoffelement gebildet wurde.
Es wurden Versuche ausgeführt mit Brennstoffelementen nach dem Ausführungsbeispiel unter Verwendung
von reinem Sauerstoff als Oxidationsgas und reinem Wasserstoff als Brennstoff. Der Druckunterschied
zwischen dem Gas und dem Elektrolyten betrug etwa 0,56 bis 0,7 Bar. Es wurde ein Lastwiderstand
an das Brennstoffelement angeschlossen und die verbrauchte elektrische Leistung gemessen.
Das Brennstoffelement wurde bei 235° C mit einem Elektrolyten aus 85prozentiger Kalilauge betrieben.
Der Abstand zwischen den Elektroden betrug 0,8 cm, und die Elektroden waren mit Lithium
und Luft voroxidiert. Die wirksame Fläche der Elektroden betrug 8 cm2. Sie waren im Betrieb in einer
senkrechten Lage.
Die Tabelle zeigt die bei den Versuchen erzielten Durchschnittsergebnisse bei Verwendung von Oxiden
nach der Erfindung im Vergleich zu bekannten Füllungen.
Brennstoffelement
Durchschnittliche
Brennstoffelementenspannung
(V)
Durchschnittliche
Stromdichte
Stromdichte
in mA/ctn2
Durchschnittliche
Betriebszeit
Betriebszeit
in Stunden
Durchschnittliche Nickelauflösungsgeschwindigkeit
in mg/cmä-h
Ungefüllt
Gefüllt mit Ceroxiden oder
Thoriumoxiden
Thoriumoxiden
0,9
0,87
0,87
150
140
140
200
200
200
0,06
0,01
0,01
Es wurden 13 Versuche mit bekannten Zellen aus- Man erkennt, daß sich gemäß der Erfindung eine
geführt und insgesamt 39 Versuche mit Brennstoff- Verringerung der Nickelauflösungsgeschwindigkeit
elementen nach der Erfindung, wovon 17 mit Cer- 50 an der Kathode um den Faktor 6 ergibt,
oxid und 22 mit Thoriumoxid gefüllt waren.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Brennstoffelement mit Nickelelektroden und einem Alkalihydroxidelektrolyten zum Betrieb
bei Temperaturen zwischen 177 und 260° C, d a durch gekennzeichnet, daß der Raum
zwischen den Elektroden Cer- oder Thoriumoxid einer Korngröße zwischen 5 und 100 Mikron und
den durch die gesamte Füllung verteilten Alkalihydroxidelektrolyten enthält.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalihydroxidelektrolyt
aus Kaliumhydroxid besteht.
3. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt
eine konzentrierte wäßrige Lösung von Kaliumhydroxid mit wenigstens 60% KOH ist
4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt aus geschmolzenem
Alkalihydroxid besteht.
5. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Cer- oder
Thoriumoxid eine Korngröße von 20 bis 50 Mikron aufweist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US57507066A | 1966-08-25 | 1966-08-25 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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DE1671959B2 DE1671959B2 (de) | 1974-10-24 |
DE1671959C3 true DE1671959C3 (de) | 1975-06-12 |
Family
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1671959A Expired DE1671959C3 (de) | 1966-08-25 | 1967-08-22 | Brennstoffelement |
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FR (1) | FR1535241A (de) |
GB (1) | GB1173030A (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (4)
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---|---|---|---|---|
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GB1032353A (en) * | 1962-02-21 | 1966-06-08 | Nat Res Dev | Improvements in and relating to fuel cells |
-
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- 1966-08-25 US US575070A patent/US3470028A/en not_active Expired - Lifetime
-
1967
- 1967-08-22 DE DE1671959A patent/DE1671959C3/de not_active Expired
- 1967-08-22 GB GB38566/67A patent/GB1173030A/en not_active Expired
- 1967-08-25 FR FR5155A patent/FR1535241A/fr not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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GB1173030A (en) | 1969-12-03 |
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FR1535241A (fr) | 1968-08-02 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |