DE2458062A1

DE2458062A1 - Nasse abdichtung fuer fluessigelektrolytbrennstoffzellen

Info

Publication number: DE2458062A1
Application number: DE19742458062
Authority: DE
Inventors: Dan Elliott Elmore; Craig Raymond Schroll; John Charles Trocciola
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1974-12-07
Publication date: 1975-07-03
Also published as: IT1026966B; FR2255714B1; GB1480922A; SE7415674L; BR7410558D0; NL7416677A; US3867206A; JPS5095747A; SE417469B; AU7604474A; DK139697B; IN140227B; DE2458062C2; NL177868C; JPS58152B2; NL177868B; FR2255714A1; CH585468A5; DK648874A; CA1023430A

Description

East Hartford, Connecticut 06108

U.S.A..

DpHng BoIfMenges

8011 Pöring / München, Hubertusstrasse 20

Telefon (081 06) 21 76

Telegramme PATENTMENGES Zornedin₉

Anwaltsakte U 231

6. Dez. 1974

Nasse Abdichtung für Flüssigelektrolytbrennstoffzellen

Me vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Brennstoffzellen und im besonderen auf Brennstoffzellen welche mit gasförmigen Reaktionsmitteln und flüssigen Elektrolyten betrieben werden.

: Brennstoffzellen sind· gut'■ bekannte Vorrichtungen zur kontinuierlichen Erzeugung von Strom durch elektrochemische Reaktion zwischen Brennstoff und Oxydationsmittel, welche der Brennstoffzelle normalerweise von ausserhalb der Zelle liegenden Quellen zugeführt werden. Eine Brennstoffzelle umfasst grundsätzlich 2 Elektroden welche durch einen Elektrolyten getrennt • sind. Brennstoff wird an einer Elektrode (Anode) oxydiert wobei Elektroden abgegeben werden und das Oxydationsmittel wird an der : anderen Elektrode (KathodeReduziert.· wobei Elektroden aufgenommen werden. Ausserhalb der Brennstoffzelle liegende Leitungen ■ gewähren einen Fluss der Elektroden durch eine in diesen Leitungen j eingebrachte' Belastung. Der Elektrolyt bildet ein ionisches Mittel zwischen den.Elektroden wodurch der Kreislauf geschlossen.

i wird.

Verschiedene Arten von Brennstoffzellen" welche sowohl in der Auffassung wie auch in der Struktur und den eingesetzten Reaktionsmitteln, dem Elektrolyten und den Herstellungsmateria-

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lien, verschieden sind sind bekannt. Alle Brennstoffzellen haben 'jedoch eine gemeinsame Eigenschaft da es in.allen Brennstoffzellen unbedingt ,notwendig ist ein Leck und ein unerwünschtes Vermischen der Reaktionsgase in und ausserhalh der Brennstoffzelle zu vermeiden. Die Resultate eines solchen Ifermischens der' Gase könnte katastrophale Folgen nach sich ziehen. ...

Ein erstes unbedingt wichtiges Problem in Brennstoffzellen ist somit die Wirkung und'Zuverlässigkeit von Reaktionsgas a bdichtungen. Verschiedene Dichtungösysfeme wurden in der : Vergangenheit eingesetzt wie z.B. Dichtungsscheiben, 0-Ringe ;und spezielle Zellenrahmen, sowie auch Schweiss- und Hartlötung. Verschiedene weitere Verfahren wurden vorgeschlagen wie z.B.

^: jene welche in den US Patenten von Siebenberg et al 3 4-81 737?

₍ von Hodgdon, Jr 3 4-84 293 und im britischen Patent von Tseung 1.174· 765 beschrieben wurden.

I "

I Die vorliegende Erfindung.offenbart eine Abdichtung für Reaktivgase in Brennstoffzellen mit flüssigem Elektrolyten. Gemäss dem Verfahren der Erfindung wird durch die Benetzung durch .den Elektrolyten .eine nasse Abdichtung erhalten. In Uebereinj Stimmung mit der Erfindung wird durch eine mit Elektrolyt ;gesättigte Matrize und eine mit Elektrolyt "gesättigte Elektrode I eine Abdichtung erhalten.

; Die Erfindung wird mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert wobei : . :

ι ■

I Figur 1 einen partiellen Querschnitt durch eine einfache j Brennstoffzelle welche mit einer Abdichtung gemäss der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 einen Querschnitt durch eine Elektrode-Matrize-

'einheit, ' .

Figur 3 einen Querschnitt durch eine Elektrode (mit 'einer gemeisamen Matrize) darstellen.

Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung kann auf eine Vielzahl von BrennstoffZellenstrukturen, Materialien und Arten angepasst v/erden.

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Die vorliegende Erfindung kann somit in den verscniedensten ;:Gpb:fce1ien "eingesetzt werden.

Eine spezifische Brennstoffzelle ist in den Figuren dargestellt ^In^einefi-solchän Brennstof fzellentyp' liegt^: eine mit Elektrolyt gesättigte Matrize 10 (wie in !Figur 3 dargestellt) zwischen und in Kontakt mit den Elektroden 12 und 14- welche «jeweils mit einem katalytischen Ueberzug 16 bzw. 18 versehen sind. Die Matrize Vann aus 2 Teilstücken 9 und 11 wie in Figur 1 dargestellt, bestehen. Gemäss Figur 1 liegt die· Elektrode-Matrizeneinheit zwischen einem Paar G-ast'rennplatten 20 und 22 wodurch. Reaktionsgaskammern 24- und 26 geschaffen werden. Beliebige, in Brennstoff zellensysteinen eingesetzte, Elektroden können verwendet werden. Gemäss der bevorzugten Struktur der Brennstoffzellen sollte die Elektrode aus.einer Gas durchlässigen Nickelfolie oder einer gesinterten Nickelpulverfolie mit einem Katalysator-. Überzug oder einer Katalysatorschicht auf der dem Elektrolyten ^: zugewandten Seite, der Elektrode "bestehen. Im Falle von Säurezel- :len können die Elektroden aus einer Gas durchlässigen Kohlenstoff folie mit einem Katalysatorüberzug bestehen.

'. Die Wahl des auf den Elektroden verwendeten Efcalysators "hängt natürlich von der einzelnen Brennstoffzelle und deren Betriebsbedingungen ab. Die Metalle der Platingruppe werden oft als Katalysatoren in Säure- und Basenzellen eingesetzt. Die Gastrennplatten welche in Figur 1 dargestellt wurden bilden zusammen mit den Elektroden die Gaskammern und zusätzlich die elektrische Verbindung zwischen einzelnen Zellen in einem Brennstoffzellensystem. Die Trennplatten für Basenzellen werden oft

■ aus Nickel hergestellt wohingegen für Säurezellen die Trenn- ί platten aus Kohlenstoff hergestellt werden. . ,

; i

Das Matrizenmaterial muss notwendigerweise hydrophil

■ sein da es den Elektrolyten enthält und die Matrize sollte auch vorzugsweise eine kleine Porengrösse aufweisen. Die Haupteigen-

. schaft der Matrize besteht darin dass sie mit dem Elektrolyten _; durch Kapillaraktion imprägniert werden kann und der Elektrolyt in den Poren festgehalten wird. Asbestgewebe oder Fasermatten werden als Matrizenmaterial in einigen Basenzellen eingesetzt wohingegen organische Kunststoffe in sauren Elektrolyten

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eingesetzt werden.

Gemäss'der Erfindung der vorliegenden Anmeldung weisen die Enden der Elektroden 30 und 32 von den herkömmlichen Elektroden abweichende Eigenschaften auf so dass diese Endstücke mit Elektrolyt gesättigt werden können. Normalerweise sind die Elektroden natürlich gasdurchlässig und bis zu einem gewissen Ausmass wenigstens hydrophob. Gemäss der vorliegenden Erfindung werden die Elektrodenenden so ausgebildet oder so behandelt dass sie hydrophil werden. Dies kam z.B. durch Imprägnierung mit Materialien wie Tantal, Graphit, Polyarylsulfon, Perfluorsulfonsäure, iPolyphenylensulfid»ader ähnliche, vorgenommen werden, wobei das 'Material natürlich mit Bezug auf seine Verträglichkeit mit dem ; Elektrolyten ausgewählt wird. Falls in der Elektrode ein hydro- ; phober Kunststoff wie z.B. Polytetrafluoroathylen vorliegt soll dieser vorzugsweise ausgebrannt oder durch andere Verfahren vor ¹ der Imprägnierung mit dem hydrophilen Material entfernt werden.

j Wie in Figur 1 dargestellt erfüllt die mit Elektrolyt

¹ gesättigte Matrize verschiedene Funktionen. Sie dient zur Aufnahme des Elektrolyten der Brennstoffzelle. Zusätzlich schafft I die Matrize eine Gasabdichtung zwischen dem Brennstoff in der j Brennstoffkammer 24 zwischen der Anode 12 und der Trennplatte j 20, und dem Oxydationsmittel in der Oxydationsmittelkammer 26 ! zwischen der Kathode 14 und der Trennplatte 22.

■ Ein Entweichen von Gas aus dem Inneren 40 in die Umge-

i bung 42 der Brennstoffzelle soll durch die vorliegende Erfindung

■ vermieden werden. Der Elektrolyt welcher durch Kapillaraktion

!in der Matrize gehalten wird verhindert ein Entweichen des ;

Gases durch die Matrize. Die Benetzung durch den Elektrolyten !

verhindert auch ein Entweichen von Gas längs den Oberflächen ^:

^44 und 46. ί

f Die mit Elektrolyt getränkten Enden 30 und 32 der Eleki troden 12 und 14 verhindern ein Entweichen von Gas durch die j I Elektroden da die Benetzung durch den Elektrolyten eine Abdich- '■ tung längs den Oberflächen 50 und 52 der Trennplatten 20 und 22 schafft.

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Falls die Trennplatten nicht benetzbar sind können die Oberflächen überzogen oder aber behandelt werden so dass sie benetzbar werden.

Der Elektrolyt selbst bildet somit eine nasse Abdichtung zwischen dem Saum zwischen den Trennplatten. Der Differentialdurck der Abdichtung wird durch die Kapillarkräfte welche eine Funktion der ausgewählten Materialien und der Porengrösse,dem Typ und Temperatur des Elektrolyten welche die Viskosität beein- ^; flüssen, und dem Typ und den Eigenschaften 'der abzudichtenden ; Oberflächen bestimmt. Es wurde bewiesen, dass nasse Dichtungen gegenüber von Reaktionsgasen bei niedrigem Druck während vielen ; Stunden von Brennstoffzellenbetrieb wirkungsvoll sind.

Die Figur 3 stellt eine Einheit bestehend aus einer ¹ einzelnen Elektrode und Matrize gemäss der Figur 1 dar.

In den Figuren 1 und 2 wird die Matrize aus zwei Teil-1 sbücken bestehend dargestellt. Somit liegt die Matrize 11 an der Elektrode 14 an wohingegen das zweite Teilstück der Matrize 9 an der Elektrode 12 anliegt. Die Matrizenmaterialien könnten I natürlich identisch sein und einen aufgesprühten Ueberzug auf— ' weisen oder aber können aus separaten vom Material her verschie- :denen Teilstücken bestehen.

' Die Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel der Erfindung. :Gemäss diesem Beispiel liegt die aus einem einzigen Stück bestehende Matrize 10 zwischen einem Paar Elektroden. Mit Bezug iauf die Figur 3 kann festgestellt werden dass das gesamte End-¹ stück 60 der Einheit eine Dichtung bildet. Eine Mehrzahl solcher ,Einheiten welche übereinander aufgestapelt wurden würden, natürj lieh entlang dem mit Elektrolyten gesättigtem. Ende abgedichtet- - ^: ^:sein. .

« Der wirkliche Wert der Erfindung liegt in der Einfachheit. Wirtschaftlich gesehen ist die Erfindung auch vorteilhaft ;da keine grösseren Ausgaben notwendig sind und keine Herstellungsprobleme für spezifische Komponenten. Die individuellen Elektrode/ Matrize oder Elektrode/Matrize/Elektrode/Einheiten können alle identisch sein.Desxireiteren sind die Dichtungen, sehr zuverlässig.

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Claims

'j PATEliTAlTSPRirECeE

1. Brennstoffzellenelektrode,bestehend aus einer porösen elektrischleitfähigen Folie_/ dadurch' gekennzeichnet, dass die Elektrode ein aktives poröses jasdurchlässiges^ flüssigkeitsundurchlässiges Teilstück, wobei dss aktive Teilstück exne katalysische Oberfläche aufweist, sowie ein hydrophiles Endteilstück aufweist_#welches mit Elektrolyt imprägniert werden kann^und wo- ■■ bei der Elektrolyt; durch die Kapillarkräfte in diesem Teilstück ; erhalten wird und wobei das Endteilstück eine Abdichtung ; schafft.

!

2. Brennstoffzellensystem mit Elektroden nach Anspruch 1, i gekennzeichnet, durch eine mit Elektrolyt gesättigte Matrize im i Kontakt mit .den katalytischen Oberflächen des ersten Teilstückes j und den entsprechenden Oberflächen des-Endteilstückes der Elektrode, wobei die Endteilstücke der Elektrode und die Matrize ■ eine kontinuierliche nasse Abdichtung am Ende der Einheit bilden.

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