DE2819487A1 - Sekundaer-brennstoffzelle - Google Patents

Description

Patsntanv.'ä'te Dip!.-Ing. Curt Wallach

Dip!.-Ing. Günther Koch

2 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 3. M_ai 19 7 8

Unser Zeichen: l6O91 G/H/Bu

Bezeichnung: Sekundär-Brennstoffzelle

Anmelder: Ford Aerospace &

Communications Corporation

Dearborn, Michigan

728 Parklane Towers East

One Parklane Boulevard

USA

Vertreter: Patentanwälte

Dipl.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr. Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Peldkamp

Erfinder: Ronald J. Haas

San Jose, Calif., USA

Donald C. Briggs

Mountain View, Calif., USA

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Sekundär-Brennstoff^elle mit einem Gehäuse.

Es sind Brennstoffzellen bekannt, bei denen dieselben Elektroden sowohl für das Aufladen als auch für das Entladen der Zelle benutzt werden. Brennstoffzellen besitzen normalerweise ein Elektrolyt-Aufnahme- bzw. Speicher-Matrixmaterial mit Kapillarwirkung, das zwischen zwei mikroporösen Elektroden liegt. Dieser Aufbau ermöglicht die Schaffung einer Dreiphasen-Zwischenschicht mit einem gasförmigen Brennstoff und einem Elektrolyt in einer katalytischen Elektrodenpore, in der eine chemische Absorption bzw. eine Chemiabsorption stattfindet. Die Elektrolyt-Aufnahmematrix schafft ein Medium für den Ionenaustausch zur Gegenelektrode der Zelle, wo die Elektronenübertragung stattfindet und das Elektron an einen äusseren Schaltungskreis abgegeben wird.

In dem Sekundär-Brennstoffzellensystem, das auch als wiederaufladbares Brennstoffzellensystem bezeichnet wird, findet bei der Wiederaufladung, also bei der Brennstofferneuerung, eine zusätzliche Reaktion statt. Diese Reaktion läuft in umgekehrter Weise wie die zuvor beschriebene Reaktion ab. An einer katalytischen Elektrode werden der Brennstoff und ein oxidierendes Ion erzeugt, und dann findet ein Elektrolyt-Ionenaustausch statt. Das oxidierende lon wird dann neutralisiert, so dass Brennstoff übrigbleibt· und ein Elektron geht auf die Leitung der äusseren Schaltung über.

Die herkömmlichen Sekundär-Brennstoffzellensysteme fallen häufig aus. Die Lebensdauer derartiger Brennstoffzellensysteme ist begrenzt, weil die anodenseitige Elektrode beim Aufladen trocken wird und ein schneller Abbau und damit eine schnelle Zerstörung der Elektrode stattfindet.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein wiederaufladbares Sekundär-Brennstoffzellensystem zu schaffen, das über einen langen Zeitraum hinweg entladen und wieder aufgeladen werden kann und eine lange Lebensdauer besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung schafft also eine Sekundär-Brennstoffzelle mit wirksameren Elektrodenanordnungen.

Die erfindungsgemässe Sekundär-Brennstoffzelle ist in der folgenden Weise aufgebaut. Die Brennstoffzelle besitzt ein Gehäuse, in der sich eine Elektrolyt-Aufnahmer- bzw. Speicherzone über einem Querschnitt des Gehäuses hinweg erstreckt. Ein Elektrolyt ist in der Elektrolyt-Aufnahmezone enthalten. Zwei gasundurchlässige, ionendurchlässige Speicherzonen befinden sich jeweils auf einer Seite der Elektrolyt-Aufnahmezone und erstrecken sich auch über den Querschnitt des Gehäuses hinweg. Weiterhin sind zwei Elektrodenzonen vorgesehen. Eine dieser Zonen ist auf derjenigen Seite der jeweiligen gasundurchlässigen, ionendurchlässigen Speicherzone angeordnet, die sich nicht in Kontakt mit der Elektrolyt-Aufnahmezone befindet. Die beiden Elektrodenzonen bestehen jeweils aus zwei Elektrodenteilen. Ein erstes Elektrodenteil ist während des Aufladevorgangs der Brennstoffzelle effektiver. Ein zweiter Elektrodenteil ist während des Entladevorgangs der Brennstoffzelle effektiver. An jedem Ende "des Gehäuses ist ein Bauteil befestigt, das die Gasaufnahme- bzw. Speicherzonen für den Brennstoff und für das Oxidationsmittel der Zelle bilden. Es ist eine elektrische Schaltungsanordnung vorgesehen, um während des Aufladevorgangs der Zelle den für das Aufladen wirksameren Elektrodenteil und während des Entladens der Zelle den beim Entladevorgang wirksameren Elektrodenteil zu benutzen.

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Der erfindungsgemasse Aufbau einer Brennstoffzelle schafft eine effektivere Betriebsweise der Brennstoffzelle dadurch, dass während der einzelnen Betriebsperioden der Zelle die dafür richtige Elektrode verwendet wird. Die Abmessungen der jeweiligen Auflade- und Entladeelektroden können den vorgesehenen bzw. gewünschten Betriebsparametern der Zelle angepasst sein. Beispielsweise können derartige unterschiedliche Zyklen ein langsames Entladen oder ein schnelles Wiederaufladen oder aber auch ein schnelles Entladen oder ein langsames Wiederaufladen oder irgendein zwischen diesen beiden Extremen liegender Betriebsvorgang sein.

Die Erfindung schafft also eine Sekundär-Brennstoffzelle mit verbesserten Elektrodenzonen. Jede Zelle besitzt zwei Elektrodenzonen, die jeweils zwei Elektrodenteile umfassen. Ein erster Elektrodenteil in jeder Zone ist während des Aufladevorgangs der Brennstoffzelle wirkungsvoller. Elektrische Schaltungseinrichtungen sind vorgesehen, damit die ersten Elektrodenbauteile während des Aufladens der Brennstoffzelle und die zweiten Elektrodenteile während des Entladens der Brennstoffzelle benutzt werden. Die Abmessungen und die Anordnung der jeweiligen Elektrodenteile sind je nach dem besonderen Zyklus der Brennstoffzelle, der bei dem Betrieb derselben verwendet wird, unterschiedlich bzw. auf diesen bestimmten Zyklus anpassbar.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass bei einer im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung durchgeführten Eecherche folgende US-Patentschriften ermittelt wurden: 3 364- 071, 3 382 105, 3 4-71 336, 3 481 737, 3 554- 090, 3 681 145, 3 719 529, 3 769 090, 3 855 002 und 3 905 832.

Keine dieser Patentschriften gibt einen Hinweis auf Brennstoffzellen, bei denen zwei Elektroden in einer Brennstoffzelle verwendet werden, wobei eine Elektrode beim Aufladevorgang der Zelle und die andere Elektrode beim Entlade-

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Vorgang der Zelle wirkungsvoller ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Brennstoffzelle und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie 2-2, der eine einzige Elektrodenzone für die Zelle wiedergibt.

In den Figuren ist die Brennstoffzelle mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Die Brennstoffzelle besitzt ein zylinderförmiges Gehäuse 12 aus Edelstahl. Das Gehäuse enthält eine Elektrolyt-Aufnahmezone 14, in der sich ein geeigneter Elektrolyt, beispielsweise Kaiiumhydroxid, befindet. Die Elektrolyt-Aufnahmezone 14 erstreckt sich quer durch das zylinderförmige Gehäuse hindurch. Diese Elektrolyt-Aufnahmezone besteht üblicherweise aus Metalloxidfasern, die in einer Dichte von 20 bis 50 % zusammengepresst und etwa 0,12 bis 2,54 mm dick sind. Der Deutlichkeit halber sind die Abmessungen der Elemente stark vergrössert dargestellt. Ein geeignetes Metalloxid zur Ausbildung dieser Zone ist beispielsweise Aluminiumoxid.

Auf jeder Seite der Elektrolyt-Aufnahmezone 14 befindet sich eine gasundurchlässige, ionendurchlössige Speicherzone 16, die aus einem Material, beispielsweise einem mikroporösen Polymer-Material mit einer Dicke von 0,025 bis 0,51 mm und einer mittleren Porengrösse von etwa 0,1 bis 50 Mikrometer hergestellt ist. Ein solches Material ist beispielsweise bestrahltes Polyäthylen, das von der Firma R.A.I. Company, Long Island, New York, hergestellt wird. Dieses Material lässt Ionen zur Elektrolyt-Aufnahmezone 14, nicht aber Gas durch.

Wie Fig. 1 zeigt, besitzt die Zelle 10 weiterhin zwei zu-

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sätzliche Elektrolyt-Aufnahmezonen 18. Diese Zonen sind in derselben Weise wie die Zone 14 ausgebildet bzw. hergestellt und brauchen nicht notwendigerweise 'vorhanden zu sein. Durch Verwendung dieser Zonen kann eine grössere Menge an Elektrolyt in der Brennstoffzelle gespeichert werden.

Das nächste in beiden Eichtungen von der Elektrolyt-Aufnahmezone 14 nach aussen sich anschliessende Element der Zelle ist eine Elektrodenzone mit oberen Elektroden 20 und unteren Elektroden 22, die durch ein Elektrolyt-Aufnahmematerial 24·, beispielsweise ein Material, das auch für die Elektrolyt-Aufnahmeζone 14 verwendet wird, getrennt sind. In der dargestellten Zelle ist die obere Elektrode 20 während des Ladens der Brennstoffzelle wirksamer, und die untere Elektrode 22 ist während des Entladens der Brennstoffzelle wirksamer. Die obere für den Ladevorgang vorgesehene Elektrode kann aus einem gesinterten Nickelpulver bestehen, das zusammengepresst wird und etwa 80 % Porosität besitzt. Diese Elektrode ist vorzugsweise 0,25 bis 0,51 mm dick. Als Material für diese Elektrode können auch andere Metalle, beispielsweise Silber oder Titan in entsprechender Weise verwendet werden. Diese Elektrode ist für den Ladevorgang wirkungsvoller, weil die Struktur dieser Elektrode eine höhere mechanische Steifigkeit auf Grund des kleineren Oberflächenbereichs aufweist. Dadurch ist die Elektrode dauerhafter und widerstandsfähiger gegenüber mechanischen Einflüssen und Beschädigungen, so dass die Lebensdauer länger ist.

Die untere Elektrode 22 ist während des Entladens der Zelle wirkungsvoller. Die untereElektrode 22 kann aus einem Nickel sieb oder -netz mit einer Siebgrösse bzw. Siebnummer 13 hergestellt sein, der auf einer Seite mit einer flüssigen, halbdurchlassigen Katalyt-Mischung beschichtet bzw. benetzt ist, die Platinmohr mit hoher spezifischer Oberfläche als

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Katalysator enthält. Diese untere Elektrode ist während des Entladens wirkungsvoller als die obere Elektrode 20. Die untere Elektrode 22 ist dagegen während des Ladevorgangs der Zelle weniger wirksam als die obere Elektrode.

Eine Wasserstoff enthaltende Zone 24 wird durch ein Seitenabschlussteil 26 begrenzt, das das eine Ende der Zelle abschliesst. Das Seitenabschlussteil 26 besitzt eine versilberte Glasinnenfläche 28 und ein Vakuumbereich 30, um Wärmeverluste der Zelle klein zu halten. Eine Sauerstoffzone 32 wird durch ein Seitenabschlussteil 34- begrenzt, das in der entsprechenden Weise wie das Seitenabschlussteil 26 ausgebildet ist. Die beiden Seitenabschlussteile sind in geeigneter Weise, beispielsweise mit (nicht dargestellten) Bändern, Schellen oder Bügeln am Gehäuse 12 befestigt. Die obere und die untere Elektrode 20 bzw. 22 sind in den jeweiligen der beiden Zonen von dem Wasserstoff enthaltenden Gasspeicher 24 bzw. dem Sauerstoffgas enthaltenden Speicher 32 durch eine gasdurchlässige, jedoch elektrolyt-undurchlässige Zone 36 voneinander getrennt. Diese Zone kann beispielsweise aus porösem Polytetrafluoräthylen (Teflon) bestehen, in dem die Poren ausreichend gross gemacht werden, um die Schicht entweder für gasförmigen Wasserstoff oder Sauerstoff leicht durchlässig zu machen. Die Poren sollten jedoch andererseits auch ausreichend klein sein, um diese Schicht für den Elektrolyt, der in den Elektrolyt-Aufnahmezonen 18 oder in den porösen Elektroden selbst enthalten ist, undurchlässig zu halten. Diese Schicht weist beispielsweise eine Dicke von etwa 0,02 bis 0,39 mm (0,001 tin G,GPS inch) auf.

Mit einem Schalter 38 wird wahlweise die obere Elektrode 20 der Zelle mit einem Ladegerät 40 und die untere Elektrode 22 mit einer Last 42 verbunden, so dass dadurch die Vorteile der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Die oberen Elektroden 20 sind über Leitungen 44 und 46 mit der einen Seite des Schalters 38 verbunden. Wenn der

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Schalter 38 in der Schalterstellung steht, bei der eine Verbindung mit dem Ladegerät 40 hergestellt wird, wird die Zelle über den Schalter und die Leitungen 44 und 46 aufgeladen. Während des Entladevorgangs der Zelle wird das Wasser der Zelle in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, wobei diese Gase dann in den jeweiligen Speicherkammern und J2 gespeichert werden.

Wenn sich der Schalter 38 iß der anderen Schalterstellung befindet, ist die Last 42 über Leitungen 48 und 50 mit den unteren Elektroden 22 verbunden. Die oberen Elektroden 20 sind, wie dies aus Fig. 1 zu ersehen ist, von den Leitungen getrennt. Die unteren Elektroden befinden sich jetzt in der Lage, eine Reduktion des Wasserstoffs und eine Oxidation des Sauerstoffs an den jeweiligen Elektroden durchzuführen, so dass Wasser gebildet und Wasserstoff sowie Sauerstoff verbraucht wird. Auf diese Weise wird Jtiutzstrom erzeugt, der an die Last 32 gelangt.

Die Erfindung schafft also eine Brennstoffzelle mit einer höheren Elektrodenwirksamkeit, weil die für den jeweiligen Zyklus des Akkumulators verwendeten Elektroden speziell für diese Funktion ausgebildet sind. Es sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen der Erfindung möglich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.

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Leerseife

Claims (1)

1. Patentanspruch

   Sekundär-Brennstoffzelle mit einem Gehäuse, gekennzeichnet durch eine Elektrolyt-Aufnahmezone (14), die sich quer durch das Gehäuse (12) erstreckt, einen Elektrolyt in der Elektrolyt-Aufnahmezone (14), zwei gasundurchlässige, ionendurchlässige Speicherzonen (16), wovon je eine auf je einer Seite der Elektrolyt-Aufnahmezone (14) liegt und sich quer durch das Gehäuse (12) erstreckt, zwei Elektrodenzonen, von denen jeweils eine auf derjenigen Seite der jeweiligen gasundurchlässigen. ionendurchlässigen Speicherzone (16) angeordnet sind, die nicht mit der Elektrolyt-Aufnahmezone (14) in Berührung steht, wobei die beiden Elektrodenzonen jeweils zwei Elektrodenteile (20, 22) umfassen,ein erster Elektrodenteil (20) während des Ladevorgangs der Brennstoffzelle (10) wirksamer und ein zweiter Elektrodenteil (22) während des Entladevorgangs der Brennstoffzelle (10) wirksamer ist, Bauteile (26, 34), die am Gehäuse (12) befestigt sind und Gasaufnahmezonen (24, 32) für den Brennstoff und das Oxidationsmittel der Zelle (10) bilden, sowie eine Einrichtung (38), um während des Aufladevorgangs der Zelle (10) die beim Aufladevorgang wirksamere Elektrode (20) und während des Entladevorgangs der Zelle (10) die beim Entladevorgang wirksamere Elektrode (22) zu benutzen.

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