DE2458063C2 - Brennstoffzelleneinheit - Google Patents
BrennstoffzelleneinheitInfo
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- H01M8/02—Details
- H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
Brennstoffzellen und insbesondere auf Brennstoffzellen, welche mit gasförmigen Reaktionsmitteln und flüssigem
Elektrolyt betrieben werden.
Brennstoffzellen sind gut bekannte Vorrichtungen zur direkten Erzeugung von Elektrizität durch eine
elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxydationsmittel, welche der Zelle von
außerhalb der Zeile liegenden Quellen zugeführt werden. Die Grundzelle besteht aus zwei Elektroden,
welche durch einen Elektrolyten getrennt sind. Brennstoff wird an der einen Elektrode oxydiert (Anode),
wobei Elektronen abgegeben werden, und das Oxydationsmittel wird an der anderen Elektrode (Kathode)
reduziert, wobei es Elektronen aufnimmt. Eine außerhalb der Zelle angeordnete Leitung gewährt einen
Elektronenfluß durch eine Belastung zwischen den zwei Elektroden, und der Elektrolyt bildet ein ionisches
Medium zwischen den Elektroden, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.
Eine große Anzahl verschiedener Brennstoffzellenarten hinsichtlich Auffassung, Konfiguration, Struktur,
Reaktionsmittel, Elektrolyt und Herstellungsmaterialien eo ist 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 Auswirkungen einer b5
solchen Vermischung könnten katastrophale Folgen annehmen.
Ein besonderes Augenmerk wird somit in Brennstoffzellen auf die Wirkung und Zuverlässigkeit der
Gasabdichtungen gelegt Verschiedene Abdichtungssysteme1 wurden' schon vorgeschlagen und in der
Vergangenheit eingesetzt, wis ä. Β. Dichtungsringe,
O-Ringe und spezielle Zellengerüste, wie auch verschiedene Verfahren, wie z. B. Schweißen und Hartlöten.
Verschiedene andere Verfahren, wie z.B. jene der US-Patente 34 81 737 und 34 84 293 sowie des britischen
Patents 11 74 765, wurden vorgeschlagen, g·
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. Es zeigt
F i g. 1 einen partiellen Querschnitt einer einfachen Zelle mit einer Abdichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung und
F i g. 2 ein Teilstück der Abdichtung nach der Linie
2-2in Fig. 1.
Die vorliegende Erfindung kann an eine Vielzahl von Zellenstrukturen, Materialien und Konfigurationen
angepaßt werden. Die Erfindung kann somit weitgehend eingesetzt werden, ohne daß die zur Herstellung
der Zelle benötigten Materialien besondere Kriterien erfüllen müssen.
Eine gut bekannte Zellenstruktur ist in den Figuren dargestellt. In einer solchen Zelle liegt eine mit
Elektrolyt gesättigte Matrize 10 zwischen Brennstoffzellenelektroden
12 und 14. Gemäß der Erfindung, und wie in der Figur dargestellt, ist eine der beiden
Elektroden, in diesem Falle die Elektrode 14, länger als die zweite Elektrode. Die Elektroden/Matrizeneinheit
liegt zwischen zwei Gastrennplatten 16 und 18, wobei diese Einführöffnungen 19 für die Reaktionsgase
aufweisen. Aus einer Gaszufuhr außerhalb der Zelle gelangt das Reaktionsgas durch den Durchlaß 19 in
Gaskammern 22.
Eine Vielzahl von Elektroden, welche in Brennstoffzellen eingesetzt werden, können gemäß der vorliegenden
Erfindung gebraucht werden unter der Bedingung, daß sie genügende Starrheit besitzen,-um die Matrize
über dem Durchlaß 19 zu tragen. Gemäß einer bevorzugten Zellenkonstruktion können die Elektroden
aus porösen, gasdurchlässigen Nickelgittern mit einer Katalysatorschicht auf der dem Elektrolyten zugewandten
Seite bestehen. Im Falle von Säurezellen können die Elektroden aus porösen, gasdurchlässigen Kohlenstofffolien
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 Katalysatoren eingesetzt. Die Gastrennplatten, 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 bzw. Kohlenstoff in den Basen- bzw. Säurezellen bestehen.
Das Matrizenmaterial ist notwendigerweise hydrophil und soll möglichst geringe Porengrößen aufweisen.
Die Matrize soll auch leicht komprimierbar sein, um einen innigen Kontakt mit den abzudichtenden Oberflächen
zu schaffen. Die wichtigste Eigenschaft der Matrize ist deren Kapazität, durch Kapillarkraft
Elektrolyt aufzunehmen und festzuhalten. Asbestgewe-
be werden in Brennstoffzellen mit basischem Elektrolyten weitgehend eingesetzt, wohingegen in Säurezellen
fasrige organische Kunststoffmatten eingesetzt werden.
In der gezeigten Brennstoffzelle erfüFit die mit
Elektrolyt gesättigte Matrize 10 eine Anzahl von Funktionen. Natürlich ist die Matrize IQ erst einmal der
Elektrolytträger der Zelle. Zusätzlich schafft die Matrize 10 eine Gasabdichtung zwischen dem Brennstoff
in der Brennstoffkammer 20 zwischen der Anode 12 und der G?strennplatte 16 und dem Oxydationsmittel
in den Gaskammern 22 zwischen der Kathode 14 und der Gastrennplatte 18.
In der in F i g. 1 dargestellten Struktur bildet der
Durchlaß 19 eine Verbindung zwischen den Gaskammern 22 und dem äußeren Gaszufuhrsystem 23. Eine
Gasabdichtung muß hier entlang der Oberfläche 40 am Ende der Gastrennplatte 16 vorgesehen werden. Um
dies zu erreichen, ist die Elektrode 12 etwas kürzer ausgebildet als die Matrize 10, so daß ein Matrizen/
Gastrennplattenkontakt entiang der Oberfläche 40 2υ
gewährleistet wird.
Die Matrize 10 muß jedoch entlang der Oberfläche 42, entlang welcher sie einer Brücke über dem Durchlaß
19 bildet, gestützt werden, um eine Abdichtung entlang der Oberfläche 42 zu erhalten. Dies wurde durch eine
verlängerte Elektrode 14 über der Oberfläche 42 erhalten. In diesem Bereich stützt somit die Elektrode 14
die Matrize 10. Ein Entweichen von Gas entlang der Oberfläche 42 ist nicht kritisch, da das Gas in den
Gaskammern 22 und in dem Gaszufuhrsystem 23 natürlich das gleiche ist
Die mit Elektrolyt gesättigte Matrize bildet somit eine wirkungsvolle kapillare Abdichtung, welche ein
Entweichen von Reaktionsgasen bei niedrigen Temperaturen verhindert Der Elektrolyt, welcher die Oberfläche
40 der Gastrennplatte 16 benetzt, bildet hier eine Gasabdichtung. Falls die Gastrennplatte nicht benetzbar
ist, kann die Oberfläche dieser Gastrennplatte durch geeignete Verfahren behandelt oder aber mit einem
Oberzug versehen werden, so daß dieses Teilstück benetzbar wird.
Die Differentialdruckeigenschaften der Matrize bei der Abdichtung hängen von den Kapillarkräften ab,
welche eine Funktion des spezifischen Matrizenmaterials, der Porosität und der Porengröße, des Typs, der
Temperatur und der Viskosität des Elektrolyten und des Typs und der Oberflächeneigenschaften der abzudichtenden
Oberflächen. Es hat sich gezeigt, daß die nasse Abdichtung durch die mit Elektrolyt gesättigte Matrize
während mehreren Stunden Brennstoffzellenbetrieb ein Entweichen von Reaktionsgasen bei niedrigem Druck
verhindert
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Einfachheit Keine übertriebenen Ausgaben für spezifische
Einheiten und keine Ausgaben für die Herstellung spezifischer Teilstücke sind notwendig, so daß die
vorliegende Erfindung sehr wirtschaftlich ist
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Brennstoffzelleneinheit 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 Katalysatorschicht aufweist, einer mit Elektrolyt gesättigten Matrize in Kontakt mit den inneren Oberflächen der Elektroden, zwei Gastrertnplatten, welche außen an den betreffenden Elektroden angeordnet sind, wobei eine der Gastrennplatten mit der ersten Elektrode eine erste Gaskammer bildet und die zweite Gastrennplatte mit der zweiten Elektrode eine zweite Gaskammer bildet, wobei die Oberfläche derjenigen Gastrennplatte, die gegenüber der ersten Elektrode Iiejt, einen Gasdarchlaß zwischen den Gaskammern und für die Gaszufuhr von außen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (14) sich über den Gasdurchlaß (19) in der gegenüber dieser Elektrode angeordneten ersten Gastrennplatte (18) erstreckt und die Matrize (10) die gleiche Längenausdehnung wie diese erste Elektrode aufweist, wobei die zweite Elektrode (12) kurzer ausgebildet ist, so daß die Matrize (10) an diesem Endstück direkt an der zweiten Gastrennplatte (16), welche gegenüber der zweiten Elektrode (12) angeordnet ist, anliegt und der Elektrolyt in der Matrize zwischen der Matrize so und der anliegenden zweiten Gastrennplatte (16) eine nasse Abdichtung bildet, welche ein Entweichen von Gas verhindert.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: UNITED TECHNOLOGIES CORP., 06101 HARTFORD, CONN., |
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8125 | Change of the main classification |
Ipc: H01M 4/86 |
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D2 | Grant after examination | ||
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