DE2458063A1

DE2458063A1 - Gasabdichtung fuer fluessigelektrolytbrennstoffzellen

Info

Publication number: DE2458063A1
Application number: DE19742458063
Authority: DE
Inventors: Craig Raymond Schroll
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: DE2458063C2; FR2255713B1; CA1010497A; JPS5095746A; US3855002A; JPS58155B2; FR2255713A1; GB1484040A

Description

^! Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ; Brennstoffzellen und im besonderen auf Brennstoffzellen.welche I ■ *

j mit gasförmigen Reaktionsmitteln und flüssigem Elektrolyt ! betrieben werden.

, Brennstoffzellen sind gut bekannte Vorrichtungen zur direkten

■ Erzeugung von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion j zwischen einem Brennstoff und einem Oxydationsmittel welche der I Zelle von ausserhalb der Zelle liegenden Quellen zugeführt werden.

Die Grundzelle besteht aus zwei Elektrode^ welche durch einen j Elektrolyten getrennt sind. Brennstoff wird an der einen Elektrode

oxydiert (Anode) wobei Elektronen abgegeben werden, und das ! Oxydationsmittel wird an der anderen Elektrode (Kathode) redu- ; ziert wobei es Elektronen aufnimmt. Eine ausserhalb der Zelle ' angeordnete Leitung gewährt einen Elektronenfluss durch eine ' Belastung zwischen den zwei Elektroden, der Elektrolyt bildet

■ ein ionisches Medium zwischen den Elektroden^wodurch der Kreislauf geschlossen wird. . ·

Eine'grosse Anzahl verschiedener Brennstoffzellenarten sowohl mit Bezug auf Auffassung, Konfiguration, Struktur, Reaktionsmittel,

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Elektrolyt und Herstellungsmaterialien sind bekannt. Eine gemeinsame Eigenschaft aller Brennstoffzellen besteht jedoch darin dass unbedingt ein Entweichen von Gas und ein unerwünschtes Vermischen der Reaktionsgase in und ausserhalb der Zelle vermieden werden muss. Die Nachwirkungen einer solchen Vermischung könnten katastrophale Folgen annehmen.

Ein besonderes Augenmerk wird somit in Brennstoffzellen auf die Wirkung und Zuverlässigkeit der Gasabdichtungen gelegt. Verschiedene Abdichtungssysteme wurden schon vorgeschlagen und in der Vergangenheit eingesetzt wie z.B. Dichtungsringe, O-Ringe und spezielle Zellengsrüste, wie auch verschiedene Verfahren wie z.B. Schweissen, und Hartloren. Verschiedene andere Verfahren wie z.B. jene der US Patente Nr. 3 481 737 von Siebenberg et al und Nr. 3 484 29 3 von Hodgdon Jr. sowie dem britischen Patent 1 174 765 von Tseung wurden vorgeschlagen.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Abdichtung für Reaktionsgase in Brennstoffzellen mit flüssigem Elektrolyt durch Benetzung durch den Elektrolyten. ■

Zur näheren Erläuterung wird Bezug genommen auf die nachfolgenden Figuren wobei

Figur 1 einen partiellen Querschnitt einer einfachen Zelle mit ei:ier Abdichtung gemäss der vorliegenden Erfindung, Figur 2" ein Teilstück der Abdichtung gemäss der Linie 2-2 der Figur 1 darstellt.

Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung kann einer Vielzahl von Zellenstrukturen, Materialien und Konfigurationen angepasst j werden. Die Erfindung der Anmeldung kann somit weitgehend einge- ; setzt werden ohne dass die zur Herstellung der Zelle benötigten j Materialien besondere Kriterien erfüllen müssen.

Eine gut bekannte Zellenstruktur ist in den Figuren dargestellt. ' In einer solchen Zelle liegt eine mit Elektrolyt gesättigte > j Matrize 10 zwischen Brennstoffzellenelektroden 12 und 14. Gemäss der Erfindung, und wie in der Figur dargestellt, ist eine 'der beiden Elektroden, in diesem Falle Elektrode 14, länger als die j zweite Elektrode. Die Elektroden/Matrizeneinheit liegt zwischen

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zv/ei Gastrennplatten 16 und 18 wobei diese Eiriführöffnungen 19 für die Reaktivgase aufweisen. Aus einer Gaszufuhr ausserhalb der Zelle gelangt das Reaktionsgas durch den Durchlass 19 in die Gaskammern 22.

Eine Vielzahl von Elektroden welche in Brennstoffzellen eingesetzt werden können gemäss der vorliegenden Erfindung gebraucht werden unterder Bedingung, dass sie genügende Starrheit besitzen um die Matrize über den Durchlass 19 zu tragen. Gemäss einer bevorzugten Zellenkonstruktion können die Elektroden aus porösen, gasdurchlässigen Nickelgittern mit einem Katalysatorüberzug oder -schicht auf der dem Elektrolyten zugewandten Seite bestehen. Im Falle von Säurezellen können die Elektroden aus porösen, gasdurchlässigen, : Kohlenstoffolien mit einer Katalysatorschicht bestehen.

Die Auswahl des spezifischen Katalysators hängt natürlich von der spezifischen Zelle und deren Einsatzgebieten ab.

In Brennstoffzellen des Wasserstoff/Sauerstofftyps mit einem basischen Elektrolyten, wie z.B. Kaliumhydroxyd oder einem sauren Elektrolyten, wie z.B. Phosphorsäure, werden oft die Metalle der Platingruppe als Kaialysatoren eingesetzt. Die Gas- j trennplatten, welche in der bevorzugten Struktur auch eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen in einem Brennstoffzellensystem schaffen und zusätzlich hierzu die Gaskammern bilden können aus Nickel respektiv Kohlenstoff in den j Basen- respektiv Säurezellen bestehen.

Das Matrizenmaterial ist notwendigerweise hydrophil und soll möglichst geringe Porengrössen aufweisen. Die Matrize soll auch : leicht komprimierbar sein um einen intimen Kontakt mit den | abzudichtenden Oberflächen zu schaffen. Die hauptsächlichsten Eigenschaften der Matrize bestehen in deren Kapazität durch Kapillarkraft Elektrolyt aufzunehmen und festzuhalten. Asbestgewebe werden in Brennstoffzellen mit basischem Elektrolyten ' weitgehend eingesetzt wohingegen in Säurezellen fasrige organische Kunststoffmatten eingesetzt werden.

In der gezeigten Brennstoffzelle erfüllt die mit Elektrolyt gesättigte Matrize eine Anzahl von Funktionen. Natürlich ist"

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die Matrize erst einmal der Elektrolytträger der Zelle. Zusätzlich schafft die Matrize eine Gasabdichtung zwischen dem Brennstoff in der Brennstoffkammer 20 zwischen der Anode 12 und der Trennplatte 16 nnd dem Oxydationsmittel in dem Oxydationsmittelraum 22 zwischen der Kathode 14 und der Trennplatte 18.

In der in der Figur dargestellten Struktur bildet der Durchlass 19 eine Verbindung zwischen den Kammern 22 und einem äusseren Zufuhrsystem 23. Eine Gasabdichtung muss hier entlang der Oberfläche AO am Ende der Trennplatte 16 vorgesehen werden. Um dies zu erreichen ist die Elektrode 12 etwas kürzer ausgebildet als die Matrize so dass ein Matrizen/Trennplattenkontakt entlang der Oberfläche 40 gewährleistet wird.

. Die Matrize muss jedoch entlang der Oberfläche 42, entlang v/elcher

^: sie einer Brücke über den Durchlass 19 bildet, gestützt werden,

! um eine Abdichtung entlang der Oberfläche 40 zu erhalten. Dies

ι wurde durch eine verlängerte Elektrode 40 über die Oberfläche

j 42 erhalten. In diesem Bereich stützt somit die Elektrode die

i Matrize. Eine Gasentweichung entlang der Oberfläche 42 ist

; nicht kritisch da das Gas in der Kammern 22 und in dem Zufuhr-

I system 23 natürlich das gleiche ist. '-

i ' ι

j Die mit einem Elektrolyt gesättigte Matrize bildet somit eine j wirkungsvolle kapillare Abdichtung welche ein Entweichen von '.

j Reaktivgasen bei niedrigen Temperaturen verhindert. Der ] Elektrolyt welcher die Oberfläche 40 der Trennplatte benetzt ,

! bildet hier eine Gasabdichtung. Falls die Trennplatte nicht . benetzbar ist kann die Oberfläche dieser Trennplatte durch geeignete Verfahren behandelt oder aber mit einem Ueberzug '

i versehen werden so dass dieses Teilstück benetzbar wird.

I ;

: Die Differentialdruckeigenschaften der Matrize bei der ^!. Abdichtung hängen von den Kapillarkräften welche eine Funktion des spezifischen Matrizenmaterials, der Porosität und der Poren-. grösse, dem Typ und Temperatur des Elektrolyten und dessen j ' Viskosität, und dem Typ und Oberflächeneigenschaften der ' abzudichtenden Oberflächen ab. Es hat sich gezeigt, dass die nasse Abdichtung durch die mit Elektrolyt gesättigte Matrize während mehreren Stunden Brennstoffzellenbetrieb ein Entweichen

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— 5■ — von Reaktionsgasen bei niedrigem Druck verhindert·.

Der wirkungsvolle Wert der vorliegenden Erfindung besteht in der Einfachheit. Keine übertriebenen Ausgaben für spezifische Einheiten noch Ausgaben für die Herstellung spezifischer Teilstücke sind notwendig, so dass die vorliegende Erfindung sehr wirtschaftlich ist.

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Claims

— 6 ~ Patentansprüche;

1. BrennstoffZeileneinheit für Brennstoffzellen.welche mit gasförmigen Reaktionsmitteln und Flüssigelektrolyten betrieben werden_;bestehend aus einem Paar poröser gasdurchlässiger Brennstoffzellenelektroden mit einer inneren und einer äusseren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche eine Kafcalysatorschicht aufweist, einer mit Elektrolyt gesättigten Matrize in Kontakt

mit den inneren Oberflächen der Elektroden, zwei Gastrennplattcn, welche aussenseitig der respektiven Elektroden angeordnet sind, wobei eine der Trennplatten mit der ersten Elektrode eine Gaskammer bildet und die zweite Trennplatte eine zweite Gaskammer mit der zweiten Elektrode bildet, wobei die Oberfläche der j Trennplatte_/welche gegenüber der ersten Elektrode liegt;.einen j Gasdurchlass zwischen den Gaskammern und der Gaszufuhr von aussen ' aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode sich j über den Durchlass in der gegenüber dieser Elektrode angeordneten j Trennplatte erstreckt und die Matrize die gleiche Langenausj dehnung wie diese erste Elektrode aufweist, v/obei die zweite • Elektrode kürzer ausgebildet ist,so dass die. Matrize an diesem ; Endstück direkt an der zweiten Trennplatte_; welche gegenüber der j zweiten Elektrode angeordnet ist, anliegt und der Elektrolyt in der j Matrize zwischen der Matrize und der anliegenden zweiten Trennplatte eine nasse Abdichtung bildetwelche ein Entweichen von Gas verhindert.

2. ' Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine starke Base und die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff sind.

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