DE2238244A1 - Elektrochemische zelle - Google Patents

Description

AIRCRAJ¹T- CORPORATION
Main Street
East Hartford
Connecticut. 06108
USA

Elektrochemische Zelle,

Priorität: USA Nr. 172.654
Patentanmeldung vom 18. August 1971

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Zellen und im besonderen auf verbesserte elektrochemische Zellen in welchen der Elektrolyt kontinuierlich umgewälzt wird wobei jedoch der Elektrolytraum in der Zelle so klein als möglich gehalten wird um' den internen Widerstand der Zelle herabzusetzen oder um Elektroden oder Elektrodentrennplatten mit niedrigem Blasendruck oder einem Blasendruck von 0 verwenden zu können» Unter Blasendruck versteht man die Druckdifferenz durch aina poröse Struktur bei welcher ein Gas die Struktur durchquert. Im folgenden v/ird die Erfindung mit Bezug auf eine Brennstoffzelle für die direkte Erzeugung von Strom mit zwei nicht verbrennbaren Elektroden beschrieben, Ea ist jedoch klar, dass dia Erfindung die im nachfolgenden beschrieben wird auch auf andere elektrochemische Zellen-angewandt werden kann.

Der Ausdruck Brennstoffzelle, der in der nachfolgendeii Be-" Schreibung gebraucht wird, bezieht sich auf eine elektrochemische Zelle für die direkte Erzeugung von elektrischer Energie aus dnem Brennstoff und einem Oxydationsmittel« Mit solchen Zellen iet Aa nicht nötig die übliche Konveraion von chemischer Energie ♦ in Wärme, in mechanische» Energie, in elektrische Energie vorzunehmen wie das in den Wärmemaschinen der Fall ist. Diese Zellen umfassen ein Gehäuse, eine Oxydationsmittelelektrode,' eine

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Brennstoffelektrode und einen Elektrolyten. Während dem Betrieb müssen Brennstoff und Oxydationsmittel auf die Oberfläche dec ·:■■ ■ respektiven Elektroden geleitet werden wo ein Adsorptions- umd'; ein Desorptionsprozess stattfindet und die Elektroden elektrisch geladen werden, wobei die zweiten Oberflächen der Elektroden mit dem Elektrolyten in Berührung otehen. In Abhängigkeit vom Elektrolyten wandern Ionen durch den Elektrolyt ea. von der Anode aur Kathode oder von der Kathode zur Anode. Elektrischer Strom wird aus der Zelle entnommen und einem Verbraucher zugeführt.

Der Elektrolyt der Brennstoffsellen kann ein Feststoff oder eine geschmolzene Paste sein, der Elektrolyt kann auch frei flüssig sein und zirkulieren oder in einer hydrophilen Matrize enthalten sein. Obwohl vom Standpunkt des Modellentwurfs, der Kompaktheit» eines niedrigen internen Widerstandsverlustes und des Gebrauches von nicht selbsttragenden leichten Elektroden Zellen mib einem flüssigen Elektrolyten in einer hydrophilen Matrize vorgezogen werden, haben die Brennstoffzellensysteme In welchen der Elektrolyt zirkuliert verschiedene Vorteile gegenüber von Systemen mit Elektrolytmatrizen. Der grösste Vorteil besteht darin, dass ein solches System den Betriebsbedingungen besser angepasst werden kann da der Elektrolytvorrat den Ausgleich von Voluinenschwankungen gewährleistet. Desweiteren dient der zirkulierende Elektrolyt zur Entfernung der Reaktionswärme wodurch die Notwendigkeit eines Kühlmittelsystems entfällt. Auch können solche Brennstoffzellen mit verunreinigter Luft betrieben werden wobei ein Regenerator au33erhalb der Zelle angeordnet ist um Kolilendioxyd und andere Verunreinigungen aus dem Elektrolyt zu entfernen bevor er in die Zelle aurückgeführt wird. Bronnstoffzellen mit zirkuliertem Elektrolyten_%ben8tigen jedoch eine ziemlich breite Elektrolytkammer um eine freie Zirkulation des Elektrolyten zu gewährleisten, um einen minimalen Druckabfall zu erhalten und um einen Kurzschluss der Zelle durch einen ungewollten Kontakt zwischen der Anode und der Kathode zu vermeiden. Aus diesen Erwägungen geht hervor, dass eine Verbindung der Vorteile, der Seilen mit zirkuliertem Elektrolyt und der Zellen mit Elektrolytmatrise die beste Lösung darstellen würde.

Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Brennstoff-

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zelle zu beschreiben welche die vorteilhaften Eigenschaften . der Brenn3toff2ellensjsteme mit zirkuliertem Elektrolyt bei schmaler Elektrolytkammer zwischen den Elektroden aufweist» Der frei fliessende Elektrolyt erniedrigt die interne Elektrolytpolarisation und auch können in einer solchen Zelle Elektroden oder Elektrodentrennplatten mit niedrigem Blasendruck oder, enem Blasendruck von 0 verwandt werden. , _; .'.

Gemäss der Erfindung wird dieses dadurch erreicht, dass ein gasförmiges Reaktionsmittel welches mit einem fliessenden Elektrolyt vermischt ist die Elektrode auf der ganzen reaktiven Oberfläche umspült.

Gemäss der Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle, mit air-kuliertem Elektrolyt eine Eeaktionsmittelkammer, ein Grasblasenverteiler» eine erste Elektrolytkammer, eine erste Elektrode welche vom Elektrolyten überflutet wird, eine zweite Elektrolytkammer zwischen den Elektroden, eine zweite Elektrode und eine Vorrichtung zur Zufuhr eines zweiten Reaktionsmittels an besagte zweite Elektrode. In Uebereinstimmung mit dieser Konstruktion sind die Anode und die Kathode der elektrochemischen Zelle vorteilhafterweise durch eine dünne,elektrisch nicht leitfahige und ionenleitende Trennplatte welche mit dem Elektroden getränkt ist oder wird, getrennt. Es ist auch, möglich die Zelle so aufzubauen» dass nur eine Elektrolytkammer oder -raum zwischen den Elektroden liegt. Während dem Betrieb füllt sich der Raum mit Elektrolyt.'Im letzteren Fall muss aber darauf geachtet werden, dass kein Kurzschluss durch eine Berührung der Elektroden entsteht. Der Elektrolyt wird durch die Elektrolytkammer welche an der ersten Elektrode anliegt.geleitet wobei die Elektrode mit Elektrolyt überflutet wird," hierbei dringt der Elektrolyt auch in die Elektrolytkammer zwischen den Elektroden ein und der Elektrolyt in dieser Kammer wird ausgewechselt. Die Reaktionsmittel werden unter Druck zugeführt. Der Reaktionsgas- oder BXasenverteiler, s.B. eine gesinterte Platte oder eine Platte welche'Ulit einer Anzahl Qöffnungen versehen ist^verteilt,Gasblasen in dem Elektrolyten und leitet sie auf die reaktive Oberfläche der Elektrode. Es ist auch möglich eine Elektrolytkammer und einen ■ BlßBenverteiler hinter, einer jeden der Elektroden· anzubringen

wobei Elektrolyt hinter beiden Elektroden hindurch geleitet wird. Dies ist jedoch normalerweise nicht notwendig um die Verteile des vorliegenden Systems zu erhalten.

Durch die vorliegende Konstruktion kann der Zwischenraum zwischen den Elektroden, im Vergleich zu den Modellen der Technik, in welchen der Elektrolyt zwischen den Elektroden zirkuliert wurde, sehr klein gehalten werden. Ein grosser Zwischenraum war in den Modellen der Technik nötig um den Druckabfall minimal zu halten und/oder den Einbau von Trennplatten mit hohem Blascndruclc zu ermcjglichen. Durch den kleinen Zwischenraum zwischen den Elektroden wird die ohmsche Polarisation des Elektrolyten minimal gehalten wodurch höhere Leistungsdichten erhalten werden. DeR-weiteren können gemäss dex· vorliegenden Konstruktion dünne Elektroden und Elektrodentrennplatten mit niedrigem Blasendruck oder mit einem Blasendruck von 0 verwendet werden da der Gasdruck in der Blaee ungefähr gleich dem Elektrolytdruck an der Elektrode ist. Desweiteren, wenn der Elektrolyt nur hinter einer Elektrode zirkuliert und die nicht getränkte Elektrode einen hohen Blasendruck aufweiet, entfällt die Notwendigkeit einer Matrize mit hohem Blasendruck oder einer Gegenelektrode mit. hohem Blasendruck. Wenn eine Matrize mit hohem Blaeendruck eingebaut wird können Elektroden mit niedrigem Blasendruck als Anode und Kathode eingebaut werden welche der Anoden und Kathoden der Elektrolytmatrizenzellen ahnein. .

Falls der Elektrolyt hinte: ;iner jeden der Elektroden zirkuliert wird, wobei die reapektlven Keaktionsgase in die respektiven Elektrolytkammern verteilt werden, entfällt die Notwendigkeit eines Einbaues einer Trennplatte mit hohem Blasendruck oder einer Brennstoff- und/oder Oxydationsinittelelektrode mit hohem Blasendruck. Pie vorliegende Konstruktion vereinigt die oben erwähnten Vorteile sowie die Vorteile der Systeme mit frei fliescendem Elektrolyten wie z.B. Wärmeentfernung, Wasserentfernung, Feuchtigkeitsregelung der Zelle und Verwendung von unreinem Brennstoff oder Oxydationsmittel welche den EleMrolyten vergiften wie z.B. Kohlenwasserstoffe, oder Kohlenoxyde bei einem baßischen Elektrolyten, wobei der Elektrolyt in einer ausserhaib der Zelle liegenden Vorrichtung.gereinigt wird.

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TJm die Erfindung noch näher mi erläutern wird Bezug genommen, auf die beiliegenden Figuren xvobei:

Fig.l einen Querschnitt einer einzelnen Zelle der -Vorliegenden Erfindung darstellt wobei der Elektrolyt nur hinter einer Elektrode zirkuliert;;

Fig. 2 eine Frontansicht--einer. Elektrode der Zolle darstellt;

Fig. 5 einen Querschnitt _t einer einzelnen Zelle der Erfindung dastellt wobei der Elektrolyt hinter beiden Elektroden der-Zelle zirkuliert.

In den Figuren bezeichnen gleiche Ziffern gleiche Teile.

Mit Bezug auf die Figur umfasst die Brennstoffzelle 10 eine Anode 5 und. eine Katbede 7 welche durch die Trennplatte 6 getrennt sind. In der dargestellten Brennstoffselle bestehen die Elektroden 5 ^ώ& 7 &U8 leichten Gitterelektrcden aus einem leitfähigen Hlckelgitter in einer gieichmässigen Mischung anes katalytischen !Metalles, in diesem Fall Platin, und Polytetra_t f luoroatiiylenpartikeln, Das Verhältnis von Platin zu Polytetrafluoroäthylen auf Volumenbasis beträgt-Js? wobei die Platinbeladung auf der Elektrode 10 mg/cm ausmacht. Die Elektroden halsen ungefähr eine Dicke von Ι27ίί . Die Elektrodentrennplatte besteht aus gepresstem Asbest und hat leine Dicke von ungefähr 12,7** · ^ie poröse gesiiitert?e ITickolstruktur 20, mit einer Dicke

ungefähr 581/* bildet-mit der Anode 5 eine Kammer 22 wobei eine zweite Kammer zwischen der gesinterten Struktur 20 und dem Gehäuse 28 gebildet wird. Eine weitere Kammer 26 wird von der Kathode 7 und dem Gehäuee 20 gebildet. Die Seile wird durch eine mit einem Gewinde versehenen Kupplungsstange 38 an·beiden Enden susamnengehalten. Es \iird daraufhingewiesen, dass, obschon in der Figur 1 die Anode die überflutete Elektrode darstellt, es genau so gut die Kathode sein könnte.

Während dem Betrieb wird eine JO^ige wässrige Kaliumhydroxydelektrolytlösung, in die Elektrolytkammer 22 durch die Eingangsleitung 22a mit geregelter'Geschwindigkeit gepumpt wo er die Anode 5 überflutet und durch die Auslassöffnung 22b ,abfliesst. Nach der Ueberflutung der Anode wird die -Itennplatte 6 überflutet.

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Durch Mischung wird der Elektrolyt in der Elektrodentennplatte 6 stetig mit dem sich in der Kammer 22 befindlichen Elektrolyten ausgewechselt und das Elektrolytvolumeti ία der Trennplatte "bleibt konstant. Ein fleakbionsgao, in diesem Fall Wasserstoff, wird durch die Einlassöffnung 24a in die Beakfcionsmittelkamraer 24 geleitet und das überflüssige Gas wird durch die Auslassöffnung 24b, entfernt. Das Gas wird unter Druck durch den ülasenverteilor 20 zu der Oberfläche der Elektrode 5 geleitet. De.tr Druck und der Verteiler werden so ausgewDit dass der Elasonfluss durch den Elektrolyten ein hohes Volumen mit Bezug auf die Geschwindigkeit de3 Elektrolytstrumes ausmacht um zu gewährleisten, dass eine maximale Menge Gas die Elektrode erreicht und gleichzeitig eine minimale Diffusionspolarisation an der Elektrode erhalten wird. Die Figur 2 zeigt eine Frontansicht dec Elektrode 5 wobei der Grossteil der Elektrode von den Gasblacen umspül't wird und der Elektrolyt unter Turbulenz zwischen den Blasen zirkuliert· Ein Oxidationsmittel, in diesem Fall Luft, wird in die ßecktionsmittielkainmer 26 durch die Einlassöffnung''26 a eingeleitet wo es. mit der Kathode in Berührung steht, der- Uebersehuss an Luft und Verunreinigungen werden durch die Auslassöffnung 26b entfernt. Bei konstanter Stromentnahme arbeitet dia Zelle mit konstanter Leistung. Bei dieser Zelle entstehen nur geringfügige Stromschwankungen da das Volumen in der Zelle durch den zirkulierenden Elektrolyt geregelt wird.

Desweiteren, wie 3chon weiter oben angegeben, kann der Basendruck der Anode 5 und der Trennplatte 6 sehr lcLein sein nur die Kathode 7 muss einen hohen Blasendruck aufweisen. Als Alternative )ctmn auch eine Trennplatte 6 mit hohen Blas endruck· verwendet werden wodurch die Verwendung einer Kathode nit hohem üläseixdruck entfällt.

figur 3 zeigt eine der Figur 1 ähnliche Zelle, Jedoch befindet eich in diesem Fall auch hinter der Kathode 7 eine Elektrolytlcammer mit einem zweiten Gasverteiler 20. Durch diese Ausführung kann eine gleichmäsaigere Kontrolle der thermischen Eigenschaften der Zelle erhalten werden. In dieser Ausführung entfällt auch die Notwendigkeit einer Trennplatte mit hohe» Blasendruck und/oder einer Brennstoff- oder Oxydationsmittelelektrode lait hohosa Blasendruck.

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Obschon die vorliegende Erfindung mit "Bezug atf leichte Elektroden aus Metallgittera in einer katalytischen Mischung von Metall und hydrophobem Kunststoffbindemittel "beschrieben worden ist, können auch andere Elektroden wie z.B. poröse gesinterte Metallelektroden, Kohlenstoffplatten und ähnliche verwendet werden. Desweiteren, obschon angegeben worden ist,'dass'die Trennplatten aus Asbest bestehen, können auch andere hydro— phile Trennplatte!! wie z.B. keramische Materialien und Kunststoffe verwandt werden. Zusätzlich zu porösen gesinterten Nickelplatten können die Gasvcrteiler auch aus anderen Materialien welche vom Elektrolyten nicht angegriffen werden, wie z.B. porösem Kupfer, Tantal, Eisen und ähnlichem hergestellt werden. Der Gasverteiler braucht nicht unbedingt aus gesintertem Metall zu bestehen. Eine mit einer Anzahl Oöffnungen versehene Platte aus Metall oder Kunststoff kann verwandt werden unter der Bedingung, dass der Verteiler das Reaktionsgas direkt durch den unter Turbulenz fliesßenden Elektrolyten auf die Elektroden-Oberfläche leitet. Die Betriebstemperatur der Zelle kann variieren unter der Bedingung.dass die kritische Temperatur der Elektroden und/oder der Elektodentrennplaite nicht überschritten wird. Vorzugsweiße beträgt die Betriebstemperatur der Zelle zwischen ungefähr. 20 und 250°0. Zusätzlich zu dem Kaliumhydroxydelektrolyten können auch' andere wässrige Elektrolyse wie z.B. wässrige Lösungen der Alkalihydroxyde, der Erdalkalihydroxyde und Karbonate verwandt werden, sowie auch stark saure Elektrolyte wie z.B. Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure oder Phosphorsäure. Reaktionsgase welche in der Vergangenheit anstatt Wasserstoff und Sauerstoff gebraucht wurden können auch verwandt werdsi.

Obschon die vorliegende Erfindung In den Figuren mit Bezug auf Einzelzellen beschrieben wurde, ist es. doch offensichtlich dass euch Batterien di6 eine Vielzahl Zellen umfassen.gebraucht werden können wobei ein Verteilersystem für den Brennstoff, das Oxydationsmittel und den zirkulierenden Elektrolyten durch

die verschiedenen Zellen vorgesehen ist. Bei einer Mehrzellenkonstruktion ist es vorteilhaft, die Zellen so anzuordnen, dass eine einzige Jieaktionsmittelkammer für die Elektroden benachbarter Zellen "fentßteht. Hierdurch wird die Kompaktheit der ,.-Ji-;

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Batterie verbessert. Desweiteren kann ausserhalb der Zelle eine Regeneriervorrichtung für den Elektrolyten eingebaut sein um Kohlendioxyd oder andere Verunreinigungen aus dem Elektrolyten zu entfernen. Eine Regeneriervorrichtung welche mit den Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung gebraucht werden kann ist z.B. in dem US Patent Nr. 3 331 703 beschrieben.

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Claims (10)

-,9-Patentansprüche

1. " Brennstoffjzellensystem mit zwei sich gegenüberliegenden Elektroden und einer Elektrolytkammer. zwischen disen Elektroden, gekeimzeichnet durch einen porösen Gasverteiler (20) welcher hinter und in einiger Entfernung von wenigstens einer der Elektroden (5 resp..7) angeordnet ist und eine ElektidLytkammer (22) hinter diesel" Elektrode (5 resp. 7) bildet,

eine Reaktionsmittelkammer (24-) hinter der porösen Gasverteilerplatte (20), Einlass- (22a, 24-a), Audiassöffnungen (22b, 24b) und

eine Vorrichtung jsur Regelung des Elektrolytflusses durch die Kammer (22), wobei wenigstens die Elektrode (5 resp. 7) welche mit der Verteilerplatte (20) die Elektrolytkammer (22) bildet hydrophil sein muss um ein Eindringen des Elektrolyten in die Elektrolytkammer (6) zwischen besagten Elektroden (5» 7) zu gewährleisten. -

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine poröse Gasverteilerplatte (20) hinter und in einiger Entfernung einer jeden der Elektroden (5»7) angeordnet ist wodurch eine Elektrolytkammer (22) hinter einer jeden der Elektroden (5»7) entsteht.

3· Brennstoff ze'llensystem nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (5 resp. 7) eine homoporöse Elektrode aua einer gleichmässigen Mischung eines Katalysatormetalles und eiiem hydrophoben Kunststoff mit einem Blasendruck von ungefähr 0 ist.

4-. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (5, 7) homoporöse Elektroden aus einer gleichmässigen Mischung aus Katalysatormetall und einem hydrophoben Kunststoff mit einem Blasendruck von 0 sind.

5· Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler (20) eine poröse gesinterte Struktur mit einer Porosität von ungefähr 10 bis 80% ist.

6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die poröse, gesinterte Struktur Nickel ist.

7· Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler (20) eine poröse Platte mit einer Vielzahl an Oeffnungen ist.

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8. Brennstoffzelle nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Platte aus Hotall ist.

9. Brennstoffzelle nach Anspruch ?, dadurch gekennzeichnet, das3 die poröse Platte aus Kunststoff ist.

10. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie in einer Brennstoffsolle nach den Ansprüchen 1-9 mit einer Brennstoffelektrode, einer Oxydationsmibfcelelektrode und einem Elektrolyten zwischen den Elektroden, wobei die'Zelle einen Gasverteiler hinter und in einiger Entfernung von wenigstens einer Elektrode umfasst und eine Elektrolytkammer hinter der einen Elektrode gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas unter kontrollierten Bediigingen dem Gasverteiler (20) zugeführt wird und ein Elektrolyt in die Elektrolyt kammer (22) eingeführt wird, wobei besagtes Gas durch den porösen Verteiler (20) in den frei fliessenden Elektrolyten in der Elektrolytkammer (22) hinter der einen Elektrode (5 resp. 7) und auf die Oberfläche der Elektrode (5 resp. 7) gelangt, wobei kontinuierlich ein ElektrolytaustauBch zwischen dem Elektrolyten welcher sich zwischen den Elektroden befindet und dem Elektrolyten in der Elektrolytkammer (22) stattfindet.

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