DE2736883A1 - Elektrolytspeicherschicht fuer brennstoffzellen - Google Patents

Elektrolytspeicherschicht fuer brennstoffzellen

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DE2736883A1
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John Harold Lamarine
Jun Robert Chevalier Stewart
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

Elektrolytspeicherschicht für Brennstoffzellen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und insbesondere auf eine 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 und mit dem Katalysator in Kontakt treten 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 Stelle, an welcher die elektrochemische Reaktion stattfindet. Bekannte Elektroden, z.B. jene welche in den Zellen, welche in den US Patenten 2 969 315 und 2 928 783 beschrieben sind eingesetzt werden, sind oft poröse Nickelelektroden, in denen der Katalysator gleichmässig durch die
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Dicke der Elektrode verteilt vorliegt. In bekannten Zellen wurde der Elektrolyt zirkuliert, so dass Wasser ausserhalb der Zelle zugesetzt 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 Dreiphasen-zone 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 anfällt, 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 zur Entwicklung von biporösen Elektroden. Eine solche biporöse Elektrode ist im US Patent 3 077 508 beschrieben. Hiernach umfasst die biporöse Struktur eine grobporige Schicht auf der Seite, welche mit dem Gas in Berührung steht, und eine feinporige Schicht auf der Seite, welche mit dem Elektrolyten in Berührung steht. Diese feinporige Schicht ist natürlich mit einem Katalysator aktiviert. Dies kann auch für die grpbporige Schicht zutreffen, obwohl es nicht erforderlich ist. Durch die hohen Kapillarkräfte 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 fiüher bekannten Zellen im allgemeinen sehr dünn, so dass andere Mittel zur Regelung der Volumenänderung des Elektrolyten benötigt wurden.
Innerhalb einer Elektrode, in welcher ein Katalysator gleichmassig durch das Substrat verteilt ist, spielt es keine Rolle, ob zum Beispiel der Elektrolyt die Hälfte oder dreiviertel der Dicke der Elektrode füllt, da sich immer Katalysator an dem
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Uebergang zwischen dem Elektrolyten und dem Reaktionsgas befindet. Darum ist es 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, und ein Katalysator, der sich nicht in diese: Zone befindet, reagiert nicht und wird praktisch vergeudet.
Spätere Entwicklungen führten zu Elektroden, in welchen der Katalysator nicht durch das ganze Substrat verteilt vorlag, sondern als sehr dünne Schicht auf der Oberfläche des Substrates, die den Elektrolyten berührte, aufgebracht 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 an Elektrolyt zurückhalten konnte und dadurch den Weg des Reaktionsgases durch das Substrat zur Katalysatorschicht nicht versperren konnte. Dies ist der meist verbreitete 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 Rückoder Innenseite des Substrates bilden, wodurch dieser Film den Gasfluss durch das Substrat beim Wiedereinschalten 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 bilden eine Elektrolytverbindung zwischen der porösen Platte und obr Elektrode. Das Elektrolytvolumen in der Zelle wird durch die Bewegung des Elektrolyten durch die porösen Durchgänge geregelt, wodurch die
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elektrochemische Leistung der Brennstoffzelle stabilisiert und eine Ueberschwemmung der Elektrode verhindert wird. In der hier beschriebenen Form besteht die Elektrode aus einem leitenden Nickelgitter welches in einer einheitlichen Mischung aus Platin- und Polytetrafluoräthylen-Teilchen eingebettet ist, wodurch die Elektrode grundsätzlich hydrophob ist. Gemäss US Patent 3 905832 liegt das hydrophile Elektrolytspeichermaterial an dem hydrophoben Elektrodensubstrat.
Verbindungswege zwischen dem Speichermaterial und der Elektrolytmatrize werden dadurch erhalten, dass Löcher in der Elektrode 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.
Obschon die Erfindungen, die in den zwei vorhergehenden Patenten beschrieben wurden, gut funktionieren, haben sie jedoch gewisse Nachteile. Ein Nachteil ist die erweiterte Zellendicke. Ein weiterer Nachteil liegt in der Vergrösserung des Spannungsverlustes, der entweder durch verringerten Kontakt zwischen der Elektrode und der Trennplatte oder durch die Zufügung von zusätzlichem Material entsteht, durch das der elektrische Strom fliessen soll. Höhere Kosten sind ein weiteres Problem; diese sind nicht nur durch die Kosten der Speicherschicht oder des Materials bedingt, sondern auch durch höhere Kosten der Elektrodenfabrikation, die durch diese Brennstoffzellenkonstruktion notwendig wurden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle Jn welcher ohne Ueberschwemmung oder Austrocknung Volumenänderunger des Elektrolyten ausgeglichen werden können.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine an die Katalysatorschicht angrenzende hydrophile Elektrolytspeicherschicht wobei ein grosser, aber nicht der ganze Teil der dem Katalysator zugewandter Fläche der Speicherschicht mit hydrophobem Material bis zu einer seichten Tiefe getränkt ist. Die Speicherschicht enthält auch
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zusätzliche nicht speichernde Teile die im wesentlichen gleichmassig durch die Speicherschicht verteilt sind und von der dem Katalysator abgewandten Fläche zum hydrophoben Material auf der gegenüberliegenden Fläche führen. Nichthydrophobe Zonen auf der dem Katalysator zugewandten Fläche, sind mit elektrolytischem Matrizenmaterial getränkt, bilden jedoch nur einen kleinen Teil des hydrophilen Volumens der Speicherschicht.
Im Gegensatz zu bekannten Brennstoffzellen benötigt die Zelle der Erfindung keine separaten hydrophobe und hydrophile Schichten hinter dem Katalysator. Bei der vorliegenden Erfindung bleibt eingrosser Teil der Speicherschicht hydrophil und kann über- j schüssigen Elektrolyten speichern. Durch die nicht speichernden ■ Teile gelangt der Reaktionsgasstrom zu der an die Speicherschicht angrenzende Katalysatorschicht. Das hydrophobe Material mit welchem die dem Katalysator zugewandte Fläche getränkt ist bedingt eine Verteilung des Reaktionsgases über einen grossen Teil der Katalysatorschicht. Das Volumen der mit Matrizenmaterial getränkten Speicherschicht weist dabei eine Porengrösse auf welche derjenigen der Elektrolytmatrize ähnelt, aber etwas kleiner als die Porengrösse der sie umgebenden, nicht getränkten hydrophilen Zone. Dies erlaubt ein Elektrolytaustausch zwischen der Matrize und dem Speicher und eine bessere Verteilung des Elektrolytüberschusses innerhalb des Speichers.
Bevorzugt erstreckt sich das Matrizenmaterial von der Matrize bis zur Speicherschicht so dass sie dem Reaktionsgas hinter der Speicherschicht ausgesetzt ist. Unter bestimmten Bedingungen hilft diese Anordnung die überschüssige Flüssigkeit aus der Gaskammer in die Elektrolytmatrize zurückzuführen.
Einige Elektrodensubstratmaterialien, so z.B. Kohlenpapier, welche sich wegen der Säurefestigkeit und guten elektrischen Eigenschaften bestens zum Gebrauch als Elektrolytspeicher bei Brennstoffzellen, welche Phosphorsäure als Elektrolyt verwenden, eignen verlieren ihre hydrophilen Eigenschaften mit der Zeit. Falls als Speicherschicht Kohlenstoffpapier eingesetzt wird, werden die hydrophilen Teile mit der Zeit hydrophob und der Speicher verliert seine Fähigkeit einen Elektrolyten aufzuspeichern. Gemäss der vorliegenden Erfindung werden hydrophile Teile der
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Speicherschicht mit Matrizenmaterial getränkt. Gute Matrizenmaterialien, so z.B. Siliziumkarbid, werden mit der Zeit nicht hydrophob. Somit weist die vorliegende Erfindung einen weiteren Vorteil auf insofern die Zonen der Speicherschicht welche mit Matrizenmaterial getränkt sind, immer hydrophil bleiben.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform dient die Speicherschichtj auch als Elektrodensubstrat wobei die Katalysatorschicht j auf die Speicherschicht aufgebracht wird. j
j ; Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen ; auf die nachfolgende Beschreibung und die Figuren in welchen:
ι Figur 1 einen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle gemäss der i vorliegenden Erfindung !
Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Figur 1 und ; Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Figur 1 darstellen.
Als Beispiel der vorliegenden Erfindung kann die Brennstoffzelle 1O, gemäss den Figuren 1-3 angesehen werden. Diese Zelle umfasst eine Brennstoffelektrode oder Anode 12, eine Kathode 14, eine Elektrolytspeichermatrize 16 zwischen den Elektroden und den Aussenwänden 18, 20 die im Abstand hinter den Elektroden 12, 14 angebracht sind und eine Brennstoffkammer 22 hinter der Anode 12 bzw. eine Oxydationsmittelkammer 24 hinter der Kathode 14 bilden. In einer Brennstoffzellenanlage in welcher die einzelnen Zellen elektrisch in Serie geschaltet sind können die Wände 18, 20 elektrisch leitende Trennplatten sein, welche die Brennstoffkammer einer Zelle von der Oxydationsmittelkammer der angrenzenden Zellen trennen. Solche Konstruktionen sind im Fachbereich wohlbekannt.
Die Kathode 14 umfasst ein Substrat 26 und eine Katalysatorschicht 28, welche auf der Oberfläche des Substrates angebracht ist. Gemäss dieser Ausführungsform ist die Kathode 14 eine Gasdiffusionselektrode bekannter Konstruktion. Falls der Elektrolyt z.B. in dieser Zelle,Phosphorsäure ist kann als Katalysatorschicht eine Mischung aus Kohlenstoff- und Platinpartikeln und Polytetrafluoräthylen (PTFE) eingesetzt werden. Der PTFE
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bindet die Katalysatorteile zusammen und verhindert eine Ueber- · schwemmung der Katalysatorschicht. Als Substrat 26 kann poröses Kohlenstoffpapier eingesetzt werden welches mit PTFE getränkt ist welches ihm hydrophobe Eigenschaften verleiht so dass es nicht vollständig mit Elektrolyt gefüllt werden kann und das Reaktionsgas die Katalysatorschicht 28 ohne weiteres erreichen kann.
Die Anode 12 umfasst eine Katalysatorschicht 30, und eine Elektrolytspeicherschicht 32. Die Katalysatorschicht 30 ist an die Oberfläche 34 der Speicherschicht 32 gebunden. Die Speicherschicht 32 besteht aus porösem Material welches mit Bezug auf den Elektrolyten hydrophil ist oder welchem durch Behandlung hydrophile Eigenschaften verliehen wurden. So z.B., kann sie, falls als Elektrolyt Phosphorsäure eingesetzt wird,aus Kohlenstoffpapier bestehen oder,falls als Elektrolyt eine Base wie Kaliumhydroxyd eingesetzt wird^kann sie eine poröse Platte aus Silbermetall, gesintertem Silber, Gold oder anderen Metallen sein. Ueberschüssiger Elektrolyt sickert in die Speicherschicht 32 und wird in ihr gespeichert. Die Poren der hydrophilen Speicherschicht 32 sollten nicht kleiner sein als die grössten Poren der Matrize oder die grössten Poren mit hydrophilen Eigenschaften der Katalysatorschicht, so dass die Kapillarkräfte innerhalb der Speicherschicht kleiner als die Kapillarkräfte der Matrize oder der Katalysatorschicht sind. Durch diese Konstruktion gelangt kein Elektrolyt in die Speicherschicht es sei denn, es wäre genügend Elektrolyt vorhanden, und die Poren der Matrize und der Katalysatorschicht seien voll.
Die Oberfläche 34, die an der Katalysatorschicht 30 anliegt ist bis zu einer Tiefe A über einen Grossteil der Fläche mit einem hydrophoben Material oder einem wasserabstossenden Mittel, wie PTFE getränkt. Diese hydrophobe Zone ist durch die Nummer 36 gekennzeichnet (Fig. 1+2) und ist nur durch kleine kreisförmige nicht hydrophobe Flächen 37 unterbrochen. Die Speicherschicht 32 enthält auch eine Anzahl Pfeiler 38 aus hydrophobem Material, die sich von der dem Katalysator zugewandten Fläche bis zu der hydrophoben Zone 36 erstrecken. Da die Speicherschicht 32 meistens nur teilweise mit Elektrolyt gefüllt
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ist, gewährleisten die Pfeiler 38 und die Zone 36 dass das Reaktionsgas oder der Brennstoff an die Katalysatorschicht 30 gelangt.
Auch wird sich das Gas auseerhalb der Pfeiler 38 in die hydro- : phobe Zone 36 radial ausbreiten, wobei eine grosse Fläche ' des Katalysators bestrichen wird. Die hydrophobe Zone der
Fläche 34 sollte möglichst gross sein, um so eine maximale Ausnutzung des Katalysators in der Schicht 30 zu gewährleisten. ' So sollten wenigstens 50% der Oberfläche hydrophob sein, um eine j befriedigende Katalysatorausnutzung und Zellenleistung zu erhalten. : Bevorzugt sollten wenigstens 90% der Oberfläche hydrophob sein. j Die Ausdehnung der hydrophoben Fläche wird nur dadurch beschränkt dass die nicht hydrophoben Flächen 37 (Fig. 2) eine genügende Oberfläche aufweisen müssen, um eine zufriedenstellende Uebertragung des Elektrolyten zwischen der Matrize 16 und der hydrophilen Zone 41 der Speicherschicht 32 zu gewährleisten. Man schätzt, dass wenigstens um die 2% der Oberfläche 34 hydrophile Eigenschaften aufweisen müssen, auch sollten die nicht hydrophoben Zonen 37 gleichmässig über die Fläche 34 verteilt sein jedoch ist die Form der nicht hydrophoben Flächen nicht massgebend. So kann die hydrophobe Zone 36 sich aus einer Anzahl getrennter rechtwinkliger Flächen zusammensetzen wobei die nicht hydrophoben Zonen den Raum zwischen den Rechtecken darstellen und ein Verbundgitter bilden.
Bezüglich des Gewichtes, der Grösse und vielleicht der Kosten wird vorgezogen die Speicherschicht 32 so fein wie möglich zu gestalten. Die Speicherschicht sollte jedoch auch die grösstmögliche Menge der überschüssigen Flüssigkeit welche sich erwartungsgemäss in der Zelle bilden kann, aufsaugen und im Bedarfsfalle abgeben. In diesem Sinne ist es offensichtlich, dass das Volumen der den Elektrolyten nichtspeichernden Teile (z.B. Pfeiler 38 und hydrophobe Teile 36) so klein wie möglich sein sollten. So sollte die Tiefe A des Teiles 36 nicht grosser als nötig sein, um eine sofortige strahlenförmige Diffusion des Reaktionsgases durch die Pfeiler 38 in die Zone 36 zu gewährleisten. Eine minimale Tiefe von ungefähr 76 /<m ist wahrscheinlich notwendig, jedoch können Tiefen bis zu 50% dei
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Dicke der Speicherschicht in einigen Fällen annehmbar sein. Damit genügend Reaktionsgas an die Katalysatorschicht 30 gelangt sollte die Summe der Quurschnittflachen der Pfeiler 38 wenigstens 2* der Gesamtfläche 40 ausmachen.
Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Speicherschicht eine Imprägnierung aus Matrizenmaterial 42 welche sich von der nicht hydrophoben Fläche 37 auf der Oberfläche 34 bis zu dem hydrophilen Teil 41 erstreckt. Die Katalysatorschicht 30 weist Löcher 44 auf welche den Flächen 37 entsprechen. Diese Löcher sind mit Matrizenmaterial gefüllt, so dass ein ununterbrochener Durchgang von Matrizenmaterial von der Oberfläche 46 der Matrize 16 bis zur Oberfläche 40 der Speicherschicht 32 besteht. Die Löcher 44 können leer bleiben, jedoch wird dies nicht bevorzugt.
Der mit Matrizenmaterial getränkte Teil der Speicherschicht soll mit Bezug auf die Matrize 16 eine etwas kleinere Porengrösse aufweisen. Dies ist der erste Teil der Speicherschicht welcher sich mit überschüssigem Elektrolyt füllt und zur Verteilung des überschüssigen Elektrolyten in die ihn umgebenden, hydrophilen Teile der Speicherschicht beiträgt .
Da die Imprägnierung der Speicherschicht mit Matrizenmaterial die Porengrösse in etwa verkleinert und somit auch das Volumen des
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Elektrolyten aufgespeichert werden kann, sollte bevorzugt weniger als die Hälfte der hydrophilen Zone 41 so getränkt werden. Ausserdem breitet sich in dieser Ausführungsform die Imprägnierung des Matrizenmaterials bis zur Oberfläche 40 aus und fördert somit das Durchsickern der Flüssigkeit aus der Brennstoff kammer in die Matrize 16 . Dies wird bevorzugt, ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und beeinträchtigt die Erfindung nicht.
Wohlverstanden kann die Matrize 16 ein Bindemittel aufweisen, wie ebenfalls das Matrizengrundmaterial. So kann z.B. eine typische Siliziumkarbid Matrizenzusammensetzung aus 96 Gew.% Siliziumkarbidpulver und 4 Gew.% PTFE Bindemittel bestehen.
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Die Imprägnierung der Speichersrrhicht mit Matrizenmaterial weist bevorzugt nur soviel Bindemittel auf wie benötigt wird um das Material während des Betriebes in der Speicherschicht zurückzuhalten. Mit Bezug auf die Matrize kann hier eine geringere Bindemittelmenge eingesetzt werden.
Zur Herstellung der Speicherschicht 32 können die Flächen 37 der
Oberfläche 34 verdeckt werden und wie beim Siebdruck eine ■ wässrige Lösung hydrophoben Materials auf die nicht überdeckten ; Flächen aufgebracht werden. Falls die Speicherschicht z.B. aus \ ! Kohlenstoffpapier besteht und eine Dicke von 330 jum, eine Durchschnittsporengrösse von 41 pm wobei 75% der Poren im Bereich ; von 19 bis 85/·«· liegen aufweist, kann als Druckertinte eine Mi- ', schung aus 225 g TFE 30, 265 g einer 2%igen wässrigen Lösung von Carbopol 934, 5OO g H2O und 8 ml einer 28%igen Lösung NH4OH eingesetzt werden. TFE 30 wird von Dupont hergestellt und enthält ungefähr 6O Gew.% Polytetrafluoräthylen, 34 Gew.% HO und 6 Gew.% Oberflächenbehandlungsmittel. Carbopol 934 ist ein Pulver das von B.F. Goodrich hergestellt wird. In Mischung mit NH.OH, einem neutralisierenden Mittel, bildet sich ein neutrales Salz, welches ein Verdickungsmittel ist. NH.OH wird zugesetzt nachdem die anderen Zutaten zugegeben und so durchgerührt sind dass keine Luftblasen mehr vorhanden sind.
Die Pfeiler 38 können auf ähnliche Art und Weise mit einer , weniger dickflüssigen Tinte hergestellt werden wobei die ent-, sprechenden Stellen der Oberfläche 40 bedeckt werden. Falls z.B. , das gleiche Kohlenstoffpapiersubstrat eingesetzt wird kann die : ' Tinte folgende Zusammensetzung haben: 625 g TFE 30, 660 g einer , ' 2%igen wässrigen Lösung Carbopol 934, 1190 g Η_0 und 20 ml einer :
28%igen Lösung NH4OH.
Die Imprägnierung der Speicherschicht mittels Matrizenmaterial 42 kann auch durch Siebdruck hergestellt werden, es ist jedoch möglich dass der Druck von der gasseitigen Fläche 4o sowohl wie von der katalysatorseitigen Fläche 34 vorgenommen werden muss. Eine Tintenzusammensetzung, die für diese Zwecke eingesetzt ' ' werden kann besteht aus: 18OO g einer l%igen wässrigen Lösung , Polyäthylenoxyd wie z.B. Polyox ^ von der "Union Carbide , /ti)
Corporation", 2940 g Sika I^ lOOO als grobkörniges, grünes
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Silikonkarbidpulver von der Carborundum Co, 700 g Teflon v 3170, welches eine wässrige Suspension von PTFE und oberflächenaktives Mittel von Dupont ist und 355 ml H~0.
Die Löcher können mittels Siebdruckverfahren gefüllt werden, nachdem die Katalysatorschicht auf die Oberfläche 34 aufgebracht wurde.
Beim Siebdruck wird die Tiefe, bis zu welcher die Tintenlösung die Speicherschicht tränkt durch die Dickflüssigkeit der Tinte und durch die Anzahl der Durchgänge beim Siebdruckverfahren eingestellt. Die Tintenlösungsmittel und andere unerwünschte flüchtige Bestandteile, sowie oberflächenaktive Mittel verflüchtigen sich nachträglich während dem Sintern der Katalysa-j torschicht.
Obwohl gemäss der Ausführungsform nach Figur 1 die Speicherschicht; 32 das Substrat für die Katalysatorschicht 30 bildet, wobei : letztere durch bekannte Verfahren wie Versprühen, Filtration, Druck usw. aufgebracht werden kann,ist den Fachleuten klar, dass auch die Matrize 16 als Katalysatorschichtsubstrat benutzt werden kann. So kann die Katalysatorschicht 30 auf die Matrize 16 aufgebracht werden muss jedoch dann an der Oberfläche 34 der Speicherschicht 32 anliegen.
Den Fachleuten ist klar, dass das Substrat 26 der Kathode 14 durch eine ähnliche identische Speicherschicht ersetzt werden kann. Jedoch ist dieses zusätzliche Speichervolumen in Normalfällen nicht notwendig. Falls nur eine einzelne Speicherschicht eingesetzt wird, soll diese bevorzugt an der Anodenseite der Zelle angebracht werden da die Anode sich gegenüber verminderter Verfügbarkeit von Wasserstoff besser verhält als die Kathode gegenüber verminderter Verfügbarkeit von Sauerstoff.
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Claims (10)

  1. United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.
    U 554 16.8.1977
    ,Patentansprüche
    J\). Elektrolytspeicherschicht, welche an einer Katalysatorschicht einer Brennstoffzelle anliegt, wobei die Speicherschicht porös ist und eine dem Katalysator zugewandte Oberfläche und eine dem Katalysator abgewandte Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Katalysator zugewandte Oberfläche (34) bis zu einer seichten Tiefe (A) über einen Grossteil der Fläche eine erste Imprägnierung (36) aus hydrophobem Material aufweist, die dem Katalysator zugewandte Fläche (34) gleichmässig verteilte Zonen (37), welche nicht mit hydrophobem Material getränkt sind, umfasst, die Speicherschicht (32) ebenfalls gleichmässig verteilte Teile (38) aufweist welche kein Elektrolyt speichern und von der dem Katalysator abgewandte Oberfläche (40) zu den Imprägnierungen (36) aus hydrophobem Material auf der anderen Fläche (34) führen, wobei diese nicht speichernden Teile (38) nur einen geringen Teil des Volumens der Speicherschicht (32) bilden, die Speicherschicht (32) hydrophil ist, ausser in den nicht speichernden Teilen (38) und ersten Imprägnierungen(36) wobei die Speicherschicht (32) Imprägnierungen (42) aus Matrizenmaterial aufweist, welche sich von den Teilen (37) der dem Katalysator zugewandten Seite (34) der Speicherschicht, welche nicht mit hydrophobem Material getränkt sind, bis zu dem hydrophilen Teil (41) erstrecken wobei das Matrizenmaterial weniger als die Hälfte des hydrophilen Teiles (41) ausmacht.
    ORIGINAL INSPECTED
  2. 2. Speicherschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht speichernden Teile; (38) zweite Imprägnierungen aus hydrophobem Material sind welche sich von der dem Katalysator abgewandten Seite (40) zu den ersten Imprägnierungen (36) aus hydrophobem Material erstrecken.
    :
  3. 3. Speicherschicht nach den Ansprüchen 1-2, dadurch
    j gekennzeichnet, dass die Imprägnierungen (42) aus Matrizenmateria
    sich von der dem Katalysator zugewandten (34) zu der dem Katalysa
    ; tor abgewandten Seite (40) erstrecken.
    '
  4. 4. Speicherschicht nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (37) der dem Katalysator züge-
    wandten Seite (34), welche nicht mit hydrophobem Material getränkt] sind, wenigstens 2% der dem Katalysator zugewandten Oberfläche (34) ausmachen, wobei die Tiefe (A) der ersten Imprägnierung (36) j weniger als 50% der Dicke der Speicherschicht (32) und nicht j weniger als 76/"" ausmacht und die minimale Gesamtquerschnittsfläche der nicht speichernden Teile (38) 2% der Gesamtquerschnittfläche der dem Katalysator abgewandten Seite (40) bildet.
  5. 5. Speicherschicht nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschicht (32) Kohlenstoffpapier umfasst.
  6. 6. Speicherschicht nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenmaterial Siliziumkarbid umfasst.
  7. 7. Speicherschicht nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen Teile, mit Bezug auf die grössten Poren der Matrize, im wesentlichen grössere Poren aufweisen.
  8. 8. Speicherschicht nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht (30) mit der dem Katalysator zugewandten Seite (34) verbunden ist.
  9. 9. Speicherschicht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
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    dass die Katalysatorschicht eine Anzahl Löcher (44) welche mit den Imprägnierungen (42) des speichernden Matrizenmaterials in Verbindung stehen, aufweist.
  10. 10. Speicherschicht nach den Ansprüchen 8-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (44) hauptsächlich mit dem Material gefüllt sind aus welchem die Matrize (16) besteht.
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DE19772736883 1976-09-01 1977-08-16 Elektrolytspeicherschicht fuer brennstoffzellen Withdrawn DE2736883A1 (de)

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