DE2736884A1

DE2736884A1 - Elektrolytspeicherschicht fuer brennstoffzellen

Info

Publication number: DE2736884A1
Application number: DE19772736884
Authority: DE
Inventors: Paul Erling Grevstad
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-09-01
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1978-03-02
Also published as: SE437445B; NL184400B; AU2771877A; IT1085968B; DK150425B; DK150425C; CA1082304A; IL52658A; US4035551A; DE2736884C2; GB1541542A; BE857993A; DK351177A; CH619322A5; NL7708905A; JPS5858785B2; BR7705803A; SE7709598L; FR2363906B1; JPS5330747A

Description

Elektrolytspeicherschicht für Brennstoffzellen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und insbesondere auf die Regelung des Elektrolytvolumens einer Brennstoffzelle.

In der Brennstoffzelle befindet sich der Elektrolyt zwischen zwei Elektroden. Diese Elektroden umfassen oft ein Substrat und einen Katalysator; das Substrat dient nur als Katalysatorträger und muss so gestaltet sein, dass während dem Betrieb der Katalysator in ständiger Berührung mit dem Elektrolyten ist. Die Elektrode muss ebenfalls so beschaffen sein, dass das Reaktionsmittel, wie z.B. Wasserstoffgas in das Substrat eindringen kann. Im bekannten Stand der Technik wird allgemein angenommen, dass das Reaktionsmittel,der Katalysator und der Elektrolyt in einem Dreiphasenkontakt stehen und zwar an der

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Stelle an welcher die elektrochemische Reaktion stattfindet. Bekannte Elektroden, z.B. jene welche in den, US Patenten 2969315 und 2 928 783 beschriebenen Zellen eingesetzt wurden, sind oft poröse Nickelelektroden, in denen der Katalysator gleichmässig durch die Dicke der ganzen Elektrode verteilt vorliegt. In bekannten Zellen wurde der Elektrolyt zirkuliert, so dass Wasser ausserhalb der Zelle beigefügt oder entzogen werden konnte. Dadurch konnte das Elektrolytvolumen in der Zelle relativ konstant gehalten werden. Auf jeden Fall zogen geringe Veränderungen des Elektrolytvolumens nur eine Veränderung der Lage der Dreiphasenzone innerhalb des Elektrodensubstrates nach sich. In neueren Zellen befindet sich der Elektrolyt in einer zwischen den Elektroden angebrachten Matrize. In diesen Zellen wird das Wasser, das während dem Betrieb hergestellt wird, durch Verdampfung in einen der Reaktionsgasströme entfernt. Damit das Wasser in den Reaktionsgasstrom gelangt, muss es, in Form von Wasserdampf, die Elektrode durchqueren, jedoch darf die Elektrode nicht vollständig mit Flüssigkeit getränkt werden, da hierbei das Reaktionsgas nicht mehr in die Elektrode eindringen kann um mit dem Elektrolyten im Bereich des Katalysators zu reagieren. Bemühungen, um diese Probleme zu vermeiden, führten zurEntwicklung von biporösen Elektroden. Eine sdche biporöse Elektrode ist im US Patent 3 077 5O8 beschrieben. Hiernach umfasst die biporöse Struktur eine grobporige Schicht auf der Seite, die mit dem Gas in Berührung steht, und eine feinporige Schicht auf der Seite, die mit dem Elektrolyten in Berührung steht. Diese feinporige Schicht ist natürlich mit einem Katalysator aktiviert. Dies kann auch für die feinporige Schicht zutreffen, obwohl -ι dies nicht erforderlich ist. Durch die hohenKapillarkräfte innerhalb der feinporigen Schicht wird der Elektrolyt in der Struktur zurückgehalten, wobei die grobporige Schicht von Elektrolyten frei bleibt und dadurch das Reaktionsgas immer in das Elektrodensubstrat eindringen kann. Die elektrochemische Reaktion findet ungefähr an der Grenze zwischen der grob und der feinporigen Schicht statt, an welcher eine Dreiphasenzone besteht. Jedoch waren die feinporigen Schichten jener früher bekannten Zellen im allgemeinen sehr dünn, so dass andere Mittel zur Regelung der Volumenveränderung des Elektrolyten benötigt wurden.

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Innerhalb einer Elektrode, bei der ein Katalysator gleichmässig durch das Substrat verteilt ist, spielt es keine Rolle, ob zum Beispiel der Elektrolyt die Hälfte oder dreiviertel der Elektrode füllt, da ein Katalysator sich immer an dem Uebergang zwischen dem Elektrolyten und dem Reaktionsgas befindet. Darum ist es I notwendig, dass das Reaktionsgas den Teil der Elektrode, der nicht mit Elektrolyt gefüllt ist, durchziehen kann. Jedoch findet; die elektrochemische Reaktion nur an der Dreiphasenzone statt, ,

i und ein Katalysator, der sich nicht in dieser Zone befindet, \ reagiert nicht und wird praktisch vergeudet. Spätere Ent- j wicklungen führten zu Elektroden, in welchen der Katalysator nicht durch das ganze Substrat verteilt war, jedoch als sehr j dünne Schicht auf der Oberfläche des Substrates, die den | Elektrolyten berührte, angebracht war. In einer solchen Elektrode müssen Gasdurchgänge vorgesehen sein, welche sich innerhalb ' des Substrates zu der Katalysatorschicht ausdehnen. Um sicher zu gehen, dass das Reaktionsgas die Katalysatorschicht erreicht, war es notwendig, ein hydrophobes Substrat zu benutzen,welches keine grössere Menge Elektrolyt zurückhalten kann und dadurch den Weg des Reaktionsgases durch das Substrat zur Katalysatorschicht nicht versperren kann. Dies ist der verbreiteste Elektrodentyp der heutigen Brennstoffzellen. Jedoch ist es in den Brennstoffzellen, in welchen kein Elektrolyt zirkuliert, noch immer notwendig überschüssiges Wasser durch Verdampfung in einen der Reaktionsgasströme zu entfernen und/oder die überschüssige Elektrolytmenge irgendwo in der Zelle aufzuspeichern, besonders bei Abschaltung, wenn der Wasserdampf innerhalb des Gasstromes zur Flüssigkeit kondensiert. Bei hydrophilen Substraten würde der kondensierte Wasserdampf das Volumen des Elektrolyten vergrössern und einen Flüssigkeitsfilm auf der Rück- oder Innenseite des Substrates bilden, wodurch dieser Film den Gasfluss durch das Substrat beim Einschalten der Zelle verhindert.

Lösungen zu den oben genannten Problemen wurden in den US Patentschriften 3 779 811 und 3 905 832 beschrieben und dargelegt.

Bei den bekannten Zellen wird eine poröse Elektrolytspeicherplatte in den Reaktionsgasstrom gestellt. Poröse Durchgänge

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bilden eine Elektrolytverbindung zwischen der porösen Platte und der Elektrode. Das Elektrolytvolumen der Brennstoffzelle wird durch die Bewegung des Elektrolyten durch die porösen Durchgänge geregelt wodurch die elektrochemische Leistung der Zelle stabilisiert und eine Ueberschwemmung der Elektrode verhindert wird. In der hier beschriebenen Form besteht die Elektrode aus einem leitenden Nickelgitter welches in eine einheitliche Mischung aus Platin- und Polytetrafluoräthylen-Teilchen eingebettet ist, wodurch die Elektrode grundsätzlich hydrophob ist. Gemäss US Patent 3 905 832 liegt das hydrophile Elektrolyt- i speichermaterial an dem hydrophoben Elektrodensubstrat. i

Verbindungswege zwischen dem Speichermaterial und der Elektrolyt- ^! matrize werden dadurch erhalten, dass Löcher in der Elektrode J vorgesehen sind welche mit einem hydrophilen Material gefüllt sind,oder dass kleine Teile des Elektrodensubstrates hydrophil ^; gehalten werden und einen Sickerweg zwischen der Elektrolytmatrize und dem Speichermaterial bilden. Hierdurch wird ein Speicher für überschüssigen Elektrolyten erhalten ohne dass der Gasfluss durch die hydrophoben Flächen des Substrates wesentlich beeinträchtigt würde.

Obwohl die Erfindunqen, die in den zwei vorhergehenden

wurden
Patenten beschriebenVzufriedenstellende Resultate ergaben hatten sie jedoch gewisse Nachteile wie z.B. eine an der Dicke umfangereichere Zelle. Ein weiterer Nachteil liegt in der Vergrösserung des Spannungsverlustes, der entweder durch verringerten Kontakt zwischen der Elektrode und der Trennplatte, oder durch zusätzliches Material entsteht durch das der elektrische Strom fHessen soll. Grössere Kosten sind ein weiteres Problem. Diese sind nicht nur durch die Kosten der Speicherschicht oder des Materials bedingt sondern auch durch ' grössere Kosten der Elektrodenfabrikation, die durch diese Brennstoffzellenkonstruktion notwendig wurden.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle zu schaffen in welcher Volumenänderungen des Elektrolyten ausgeglichen werden können und welche dünn, leicht herzustellen und relativ billig ist.

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Gemäss dieser Erfindung ist eine der Elektroden der Brennstoffzelle mit einer Katalysatorschicht versehen und dem Elektrolyten zugewandten Seite eines gasporösen, vollständig hydrophilen Substrates vorgesetzt welches auch einen Elektrolytspeicher bildet. In einer bevorzugten Form befindet sich dieses Substrat hinter dem Anodenkatalysator.

Im Gegensatz zu bekannten Brennstoffzellen befindet sich keine separate Schicht eines Elektrolytspeichermaterials hinter dem Substrat, somit sind keine Löcher im Substrat notwendig, auch benötigt das Substrat keine spezielle Behandlungen zur

Bildung von Sickerwegen von der Elektrolytmatrize zu der Speicher-r schicht. Das Substrat (i.e. die Elektrolytspeicherschicht) bestehi aus hydrophilem Material, dessen Porengrössenbereich wahllos · verteilt ist. Die kleineren Poren dienen als Speicher für i überschüssigen Elektrolyten, wohingegen die gröberen Poren

wesentlich frei von Elektrolyt bleiben und dadurch die nötigen Gasdurchgänge durch das Substrat zur Katalysatorschicht bilden.

Zur Gewährleistung, dass die Elektrolytmatrize stets mit Elektrolyt gefüllt ist, sollten die Poren des Substrates nicht kleiner sein als die grössten Poren der Matrize. Durch diese Konstruktion sind die Kapillarkräfte innerhalb des Substrates geringer als die Kapillarkräfte innerhalb der Matrize. Deshalb gelangt kein Elektrolyt in das Substrat, es sei denn es wäre yenügend Elektrolyt vorhanden und die Matrize wäre voll. Anderseits, falls sich das Elektrolytvolumen innerhalb der Zelle verringert, wird sich der Elektrolyt vom Substrat in die Matrize entleeren wobei die Austrocknung der Matrize verhindert wird.

Man hat zur Ueberraschung gefunden, dass ein poröses, hydrophiles Substrat, dessen Porengrössenbereich wahllos verteilt ist, genügend Porosität behält, auch wenn es teilweise mit Elektrolyt gefüllt ist, so dass das Reaktionsgas das Substrat senkrecht

zu seiner Dicke leicht durchquert, ohne dass hierzu hydrophobe Flächen benötigt würden. Es wurde z.B. gefunden, dass eine Anzahl Kohlenstoffpapiere, welche einen grossen Porengrössenbereich aufweisen, sich gut als Elektrolytspeicher sowie eis Elektrodensubstrate eignen.

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Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die obengenannte Elektrolytspeicherschicht hinter der Anodenkatalysator- ; schicht, wobei das Substrat bzw. die Schicht hinter der Kathodenkatalysatorschicht ebenfalls porös und völlig hydrophil ist. Die Porengrösse dieser Schicht wird so gewählt, dass sie grosser : ist als diejenige der Schicht hinter dem Anodenkatalysator, so ' , dass sie während dem Betrieb fast trocken bleibt und die ' Volumenänderungen der Flüssigkeit durch die hinter dem Anoden- ;

_; katalysator angeordnete Speicherschicht aufgenommen werden. J

: Bei Abschaltung der Zelle kann sie die grossen Wassermengen. >

welche aus der sie umgebenden Atmosphäre kondensieren, aufsaugen ι

und speichern. Beim Einschalten entleert sie sich schnell und ι

erlaubt so dem Oxydationsmittel einen bequemen Durchgang zum ; Katalysator.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen auf ' die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und auf die beiliegende Figur 1: welche einen Querschnitt der Brennstoffzelle gemäss der vorliegenden Erfindung darstellt.

Mit Bezug auf Figur 1 umfasst die Brennstoffzelle 10 eine Elektrolytmatrize 12, eine Anode 14, eine Kathode 16 und Trennwände 18, 2O. Eine solche Brennstoffzelle kann mit Phosphorsäure als Elektrolyten betrieben werden, jedoch eignet sich die : Erfindung ebenfalls für Brennstoffzellen welche mit anderen Elektrolyten wie Kaliumhydroxyd oder geschmolzenem Karbonat betrieben werden. I

ι I

Die Anode 14 umfasst eine Katalysatorschicht 22,welche an eine

j I

; Speicherschicht 24 gebunden ist; somit ist die Speicherschicht gemäss dieser Ausführungsform ebenfalls das Elektrodensubstrat.

¹ Die Trennplatte 18 umfasst eine Zentralzone 26 und eine Randzone 29. Die Zentralzone liegt in einigem Abstand von der Speicherschicht 24 wobei eine Brennstoffkammer 28 in welche Wasserstoff oder andere passende Brennstoffe eingeführt werden können, gebildet wird. In einer Brennstoffzellenanlage würde sich auf der, der Brennstoffkammer abgewandten Seite der Trennplatte 18 die • Oxydationsmittelkammer der anliegenden Zelle befinden. Der Teil ι der Speicherschicht 24, welcher direkt dem Brennstoff in der

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Ίο

Brennstoffkammer 28 ausgesetzt ist wird als aktiver Teil 30 der
Speicherschicht bezeichnet. Der Teil der Katalysatorschicht
welcher an den aktiven Teil 30 stösst, wird als aktive Fläche
der Katalysatorschicht bezeichnet. Der aktive Teil 30 ist
gegenüber dem Elektrolyten hydrophil, porös, und umfasst
keinen Katalysator oder hydrophobes Material. Die Katalysatorschicht 22 ist nur auf die Oberfläche aufgebracht hierbei kann
ein leichtes Eindrigen dieser Katalysatorschicht in die Oberflächenporen der Speicherschicht nicht vermieden werden. Die
Speicherschicht 24 kann aus einem beliebigen porösen, hydrophile? elektrisch leitfähigen, mit Bezug auf den Elektrolyten
inertem Material bestehen. Bekanntes Kohlenstoffpapier lässt
sich gut als Speichermaterial für Brennstoffzellen, die als

Elektrolyt Phosphorsäure enthalten, verwenden. Die Katalysator- |

i schicht 22 besteht aus Katalysatorpartikeln, welche mit einem j hydrophoben Material wie Polytetrafluorathylen verbunden werden. ' Als Katalysator wird Platin auf einem partikularen Kohlenstoffträger bevorzugt. Die Zusammensetzung der Katalysatorschicht ist
nicht wichtig für diese Erfindung und beliebige bekannte

Katalysatorschichtzusammensetzung oder eine neu entwickelte ι

Katalysatorzusammensetzung kann in dieser Erfindung eingesetzt : werden. i

Nach dem bekannten Stand der Technik ist es wichtig, dass die j Matrize 12 sowohl während dem Betrieb als auch während der
Stillegung stets vollständig mit Elektrolyt gefüllt ist. Deshalb j wird vor der ersten Inbetriebnahme genügend Elektrolyt in die ' Brennstoffzelle eingeführt, dass die Matrize wenigstens ganz
gefüllt wird. Während dem Betrieb entsteht in der Brennstoffzelle _t Wasser das den Elektrolyten verdünnt und so sein Gesamtvolumen
über dasjenige welches in der Matrize gespeichert werden kann
hinaus vergrössert. Ausserdem kann, wenn die Zelle abgeschaltet
wird, das Flüssigkeitsvolumen sich um das 2 bis 3fache ''

vergrössern, da sie Wasserdampf aus der Atmosphäre und aus den
Brennstoffkammern aufnimmt. Dieses überschüssige Flüssigkeits- ' volumen muss eine Ausweichmöglichkeit haben. Die Speicherschicht
24 liefert diesen Raum innerhalb ihrer Poren. Die Uebertragung ^! dieser überschüssigen Flüssigkeit, die sich in der Matrize 12
aufbaut, muss durch die Katalysatorschicht 22 geschehen. Um sicher

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zu gehen, dass die Flussigkeitsubertragung zwischen der Matrize ; 12 und der Speicherschicht 24 in beiden Richtungen gewährleistet i ist, sind Löcher 34 in der Katalysatorschicht vorgesehen. Diese ' Löcher sind vorzugsweise mit hydrophilem Matrizenmaterial

gefüllt. Obwohl bei dieser Ausführung öffnungen durch die j Katalysatorschicht 22 vorhanden sind wurde gefunden, dass diese j öffnungen in vielen Fällen nicht notwendig sind, da die Katalysa-j torschicht 22 sowohl hydrophile als auch hydrophobe Poren auf- j weist. Versuche haben gezeigt, dass gewöhnlich eine genügende J Elektrolytübertragungsfähigkeit durch die hydrophilen Poren der i Katalysatorschicht besteht. Auf jeden Fall können die Oeffnungen einfach als Vorsichtsmassnahme eingefügt werden.

Die Flüssigkeitsübertragung innerhalb der Brennstoffzelle geschieht durch Kapillarkräfte. Je feiner die Poren umso grosser

umso ·

die Kapillarkraft und grosser die Fähigkeit Flüssigkeit zu ', speichern. Da die Matrize 12 immer mit Elektrolyt gefüllt bleiben muss, muss sie feinere Poren aufweisen als die Speicherschicht ! 24, sonst würde der Elektrolyt der Matrize 12 in die Poren der Speicherschicht eindringen und somit die Matrize teilweise entleeren. Im Einklang mit dieser Erfindung sind im wesentlichen alle Poren der Speicherschicht 24 grober als die Poren der Matrize; somit werden die Poren der Speicherschicht sich erst füllen nachdem die Matrize gefüllt ist und sich in die Matrize entleeren wenn das Flüssigkeitsvolumen der Zelle abnimmt.

Während dem Betrieb der Zelle muss das Wasserstoffgas oder andere Brennstoffgase die Speicherschicht 24 zu der Katalysator- _: schicht 23 hin durchqueren. Nach dem bekannten Stand der Technik mussten die Schichten, die die Brennstoffkammern von der Katalysatorschicht trennten, entweder mit Löcher oder hydrophoben Flächen versehen werden, um einwandfreie Gasdurchgänge zu gewährleisten. Jedoch wurde unerwarteter Weise gefunden, dass dies nicht notwendig ist. Es wurde gefunden, dass die Speicherschicht 24, deren Dicke die Dicke der bekannten Elektrodensubstrate nicht über- ι steigen darf, in seinen feineren Poren eine genügende Speicherkapazität aufweist, so dass das überschüssige Flüssigkeitsvolumen gespeichert werden kann und die gröberen Poren leer bleiben und so einwandfreie Durchgänge gewährleisten, damit das Gas aus !

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der Brennstoffkanuner durch die Speicherschicht zu der Katalysator-j schicht gelangen kann. Dies trifft auch auf die Kohlenstoffpapierej zu, die einen grossen Bereich von Porengrössen aufweisen. Es wird angenommen, dass andere poröse Elektrodensubstratmaterialien mit ähnlichen Porenspektren eine befriedigende Leistung ergeben, wie z.B. poröse hydrophile Kunststoffe (Polysulfon welches behandelt wurde um es benetzbar zu machen); gesinterte Metalle : können in Basenelektrolytzellen eingesetzt werden.

j Versuche mit Zellen, gemäss dieser Erfindung ergaben, dass ein zufriedenstellender Betrieb erwartet werden kann, wenn die Speicherschicht bis zu 60% mit Elektrolyt gefüllt ist. Dies entspricht für die in den Versuchen eingesetzten Zellen etwa dem zwei- bis dreifachen Füllvolumen bei Normalbetrieb. Dies ! besagt jedoch nicht, dass die Füllung der Speicherschicht keinen Einfluss auf die Verteilung des Brennstoffes in die Katalysatorschicht hätte, jedoch sind die Diffusionseigenschaften des Wasserstoffesf°dass die Anodenseite der Brennstoffzelle gegenüber verringerter Verfügbarkeit von Brennstoff nicht empfindlich ist. Die Dicke der Speicherschicht ist von Faktoren wie der maximal erwarteten Flüssigkeitsmenge, der Porosität des eingesetzten , Materials, und einem annehmbaren Sicherheitsfaktor abhängig. Diese Dicke kann genau durch Fachleute festgelegt werden.

Die Kathode ist gegenüber verringerter Verfügbarkeit von Oxydationsmittel nicht so tolerant als die Anode gegenüber verringerter Verfügbarkeit von Wasserstoff. Aus diesem Grunde ist die Elektrolytspeicherung hinter dem Anodenkatalysator einer Speicherung hinter dem Kathodenkatalysator vorzuziehen. Eine normale wasserabstossende Kathode kann zusammen mit der Anodenspeicherschicht der vorliegenden Erfindung für viele Anwendungen eingesetzt werden. Jedoch soll die Substratschicht hinter der Kathode bevorzugt Elektrolyt beim Abschalten der Zelle, wenn sich das Elektrolytvolumen bis auf das mehrfache seines Betriebsvolumens infolge der Verdampfung der Flüssigkeit aus einer feuchten Atmosphäre vergrössert, speichern. Somit weist in der bevorzugten Ausführungsform der Figur 1, die Kathode 16 auch ein nicht wasserabstossendes Substrat 38 auf, an welches eine Katalysatorschicht 39 gebunden ist. Die

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-tfs

Trennplatte 20 umfasst einen zentralen Teil 21 in einigem Abstand vom Substrat 38 wobei so eine Oxydationsmittelkammer 40 gebildet wird. Der Teil des Substrates 38, der dem Oxydationsmittel in der Kanuner 40 direkt ausgesetzt ist, wird als aktiver Substratteil 44 bezeichnet. Der Teil der Katalysatorschicht 39, der an den aktiven Teil 44 angrenzt, ist die aktive Fläche der Katalysatorschicht. Wie bereits angegeben ist das Substrat 38 nicht zum Zwecke vorgesehen überschüssigen Elektrolyten während dem Betrieb der Zelle zu speichern und wird deshalb nicht als Speicherschicht bezeichnet. Jedoch weist dieses Substrat wie die Speicherschicht 24 und im Gegensatz zum früheren Stand der Technik, kein wasserabstossendes oder hydrophobes Material in seinem aktiven Teil 44 auf; es unterscheidet sich von der Speicherschicht 24 nur durch die Tatsache, dass ein Grossteil der Poren (je mehr desto besser) im aktiven Teil grosser sind als die \ Poren des aktiven Teils 30 der Speicherschicht 24 welche sich während dem Betrieb der Zelle mit Elektrolyt füllen, des besagt, dass der aktive Teil des Substrates 38 einige Poren aufweisen kann, welche feiner sind als die gröbsten Poren des aktiven . Teiles 30 der Speicherschicht 24 jedoch bleiben die meisten dieser feineren Poren während dem Betrieb der Zelle trocken, da der grösste Teil der erwünschten Elektrolytspeicherung, während dem Betrieb der Zelle, in den noch feineren Poren der Speicherschicht erhalten wird. Nur beim Abschalten ist genügend Flüssigkeitsvolumen vorhanden um die gröberen Poren des aktiven Teils des Substrates zu füllen. Auf diese Art und Weise gelangt der über- ; schüssige Elektrolyt zuerst in die Speicherschicht 24 und nicht in das Substrat 38. Das Substrat 38 kann jedoch grosse Flüssigkeitsmengen bei Abschaltung der Zelle aufnehmen. Bei der Inbetriebnahme entleert sich das Substrat 38 zuerst, da es die grössten Poren aller vorhandenen Elemente aufweist.

Das Wort Substrat bezeichnet normalerweise die Schicht hinter dem Katalysator an welche der Katalysator gebunden ist, jedoch zum Zwecke dieser Beschreibung einschliesslich der Patentansprüche ist die Speicherschicht 24 auch ein Substrat, und das Wort Substrat bezeichnet auch die Schicht hinter der Katalysatorschicht unabhängig davon, ob die Katalysatorschicht daran gebunden ist oder nicht. So wäre die Schicht 38 ein Substrat,

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sogar wenn die Kathodenkatalysatorschicht 39 an die Oberfläche der Matrize 12 und nicht an die Schicht 38 gebunden wäre.

Gemäss einem anderen Aspekt dieser Erfindung umfassen die Speicherschicht 24 und das Substrat 38 jeweils abdichtende Randteile 48 bzw. 50. Diese abdichtenden Randteile sind zwischen den Endteilen 52 der Matrize 12 und den Endteilen 29, 54 der Trennplatten 18 respektiv 20 eingeklemmt. Die abdichtenden Teile 48, 50 sind mit MatrizenmateriäL getränkt, so dass die Porengrössenverteilung der abdichtenden Teile der Verteilung in der Matrize 12 ähnlich ist. Somit sind die abdichtenden Teile 48, stets mit Elektrolyt gefüllt solange die Matrize 12 mit Elektrolyt gefüllt ist. Dabei werden nasse Abdichtungen auf den Oberflächen 56, 58, 60 und 62,wie im US Patent 3 867 209 beschrieben, erhalten. Die Abdichtungen verhindern das Entweichen von Reaktionsgas aus dem Innern der Zelle. Jedoch hängt die vorliegende Erfindung nicht von dem Typ der Abdichtungen, welche hier beschrieben werden ab, andere Abdichtungsmittel können auch eingesetzt werden.

Diese Erfindung bringt etliche Vorteile gegenüber dem bekannten Stand der Technik. So z.B. schliesst sie kostspielige Schritte, wie die Herstellung wasserabstossender Elektrodensubstrate, damit diese wenigstens an auserwählten Punkten hydrophob sind um Gasdurchgänge zu sichern, aus. Die Speicherschicht dient auch als Elektrodensubstrat so dass die Notwendigkeit von separaten Substrat- und Speicherschichten entfällt. Im Vergleich zu Strukturen welche separate Speicherschichten hinter der Elektrodensubstratschicht aufweisen sind die Diffusionsverluste von Wasserdampf wesentlich niedriger, da der Wasserstoffstrom nur durch die Speicherschicht zum Katalysator und nicht durch eine Speicherschicht und ein Elektrodensubstrat diffundiert. Auch können Zellengewicht und Dicke verringert werden da die Speicherschicht allein nicht dicker ist oder bevorzugt weniger dick ist als die Kombination eines Substrates und einer Speicherschicht. Als Alternative kann die Elektrolytspeicherfähigkeit für eine gegebene Dicke einer Zelle vergrössert werden. Die Tafel 1 gibt Eigenschaften der verschiedenen Kohlenstoffpaiere an, die als Speicherschicht gemäss dieser Erfindung untersucht wurden. Es ist

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bemerkenswert, dass die mittlere Porengrösse für die verschiedenen Papiere zwischen 14 und 83 ^m liegt und dass eine breite Porengrössenverteilung sowie eine enge Porengrössenverteilung vergleichbare, befriedigende Resultate lieferten. Die Matrize und Rarjdabdichtungen, welche in den Zellen, welche diese Substrate j und Speicherschichten aufwiesen, eingesetzt wurden, hatten Poren- : grössen von 1,0 bis 5,0

	Min.	Max.	80	483
83	6O	110	75	356
41	19	85	85	381
59	42	86	86	457
59	39	86	82	330
14,4	2,5	82	83	381
16	3	83	75	406
14	6	75	88	406
17	3	88

[ Tafel 1

' Kohlenstoffpapiere, die als Brennstoffzellenelektrolytspeicher,

; gemäss dieser Erfindung, eingesetzt wurden.

Mittlere Porengrösse Porengrössenbereich Poro- Dicke

; (/ ) (jt) sität% ( y }

Min. ■ A B C D E F G H

Beispiel I

In einem Versuch bestanden die Anodenspeicherschicht und das Kathodensubstrat aus Kohlenstoffpapier (mit B in Tafel 1 bezeichnet). Die Anodenspeicherschicht war nicht wasserabstossend,

2 wohingegen das Kathodensubstrat mit einer Beladung von 4 mg/cm Polytetrafluoräthylen (PTFE) wasserabstossend gestaltet wurde. Die Matrize enthielt 96% Siliziumkarbid und 4% PTFE, war 254 ν dick und hatte eine durchschnittliche Porengrösse von 2 n . Die Leistung der Zelle war der anderen Leistung mit konventionnellen wasserabstossenden Anodensubstraten ebenbürtig.

Beispiel II

In einer weiteren Zelle bestand die Speicherschicht hinter der Anodenkatalysatorschicht aus Kohlenstoffpapier (C in Tafel 1) und umfasste kein hydrophobes wasserabstossendes Material. Das Kathodensubstrat bestand aus Kohlenstoffpapier

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(E in der Tafel 1) und war mit 4 mg/cm PTFE wasserabstossend j

gestaltet. Die Matrize war die gleiche wie in Beispiel I. Diese j

Zelle wies die gleiche Leistung wie Zellen mit konventionnellen j

Elektroden und wasserabstossenden Substraten auf. !

Beispiel III

Eine ausschllesslich hydrophile Zelle wurde auch untersucht. Die Anodenspeicherschicht war aus Kohlenstoffpapier (B in Tafel 1) und nicht wasserabstossend. Das Kathodensubstrat bestand aus Kohlenstoffpapier (A der Tafel 1) und war nicht wasserabstossend.

Die in den Beispielen I und II beschriebene Matrize wurde eingesetzt und die Ränder der Anodenspeicherschicht und dem Kathodensubstrat waren mit Siliziumkarbid/ PTFE getränkt um nasse Abdichtungen zu bilden. Auf die Ähnlichkeit der Porengrösse i zwischen der Anodenspeicherschicht und dem Kathodensubstrat ! wird hingewiesen. Dies stellte keine Probleme dar, da während dem Betrieb der Zelle die feineren Poren der teilweise gefüllten Anodenspeicherschicht das Kathodensubstrat wesentlich trocken hielten. (Der Elektrolytgehalt in der Kathode betrug weniger i als 5% des Porenvolumens, mit Bezug auf die Porenspektren der Anode und der Kathode). Obwohl die Zellenleistung nur ungefähr ι 95% der Leistung einer konventionnellen Zelle mit wasserabstossenden Anoden und Kathoden betrug, wird nicht angenommen, dasä die niedrigere Leistung dieser Erfindung zuzuschreiben ist.

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Claims

Patentansprüche

Brennstoffzelle bestehend aus einer Elektrolytspeichermatrize, einer Anodenkatalysatorschicht auf einer Seite dieser Matrize und einerKathodenkatalysatorschicht auf der anderen Seite der Matrize, wobei jede Katalysatorschicht auch eine mit der Matrize in Berührung stehende aktive Zone umfasst, gekennzeichnet durch eine Speicherschicht (24) welche einen aktiven Teil (30) in unmittelbarem Kontakt mit der ganzen der Matrize abgewandten Seite einer Katalysatorschicht (22)aufweist wobei die aktive Zone (30) der Speicherschicht (24) kontinuierlich porös , mit Bezug auf den Elektrolyten hydrophil im wesentlichen frei von Katalysator und hydrophobem Material ist, wobei die aktive Zone (30) der Speicherschicht (24) einen wahllos verteilten Porengrössenbereich aufweist und im wesentlichen mit Bezug auf die gröbsten Poren der Matrize keine feineren Poren umfasst.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht (22) an die Speicherschicht (24) gebunden ist.
3.

Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch

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gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht eine Anzahl regelmässig verteilter Durchgänge umfasst, welche die Matrize (12) j und Speicherschicht (24) untereinander verbinden. ·
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Durchgänge aus Oeffnungen (34) in der Katalysa- ■ torschicht (22) bestehen. ₍
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, '

dass die Oeffnungen (34) mit hydrophilem Material gefüllt sind. ·
6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, j dass das hydrophile Material hauptsächlich aus Matrizenmaterial j besteht. i
7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist. [
8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschicht (24) aus Kohlenstoffpapier besteht.
9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize einen Phosphorsäureelektrolyten umfasst.
10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch ein Substrat (38) mit einem aktiven Teil (44) in unmittelbarem Kontakt mit der ganzen der Matrize abgewandten ' Seite der aktiven Fläche der Katalysatorschicht (39) wobei der aktive Teil (44) des Substrates (38) porös,mit Bezug auf den j Elektrolyten hydrophil und wesentlich frei vom Katalysator und hydrophobem Material ist, und der aktive Teil (44) des Substrates (38) einen wahllos verteilten Porengrössenbereich aufweist, wobei die meisten Poren grober als die gröbsten Poren des aktiven Teiles (30) der Speicherschicht (24) sind.
11. Brennstoffzelle, nach einem der Ansprüche 1-10, welche ferner eine Trennplatte mit einem zentralen Teil und einem Randteil, wobei der zentrale Teil in einigem Abstand von der

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Speicherschicht angeordnet ist und so eine Brennstoffkairaner gebildet wird und eine zweite Trennplatte mit einem zentralen Teil

und einem Randteil , wobei der zentrale Teil in einigem Abstand I

vom Substrat angeordnet ist und so eine Oxydationsmittelkammer j gebildet wird, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher-j

schicht (24) und das Substrat (38) Randabdichtungszonen (48,5O) ;

umfassen, wobei die abdichtenden Randzonen (48) der Speicher- _;

schicht (24) zwischen der Matrize (12) und den Randteilen (29) '

der ersten Trennplatte (18) und wobei die Randzonen (50) des ■

Substrates (38) zwischen der Matrize (12) und dem Randteil (54) j

der zweiten Trennplatte (20) eingeklemmt sind und wobei die j

abdichtenden Teile porös, mit Bezug auf den Elektrolyten hydro-

phil sind und einen Porengrössenbereich aufweisen welcher dem ^:

Bereich der Matrize ähnlich ist.

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