DE3530010A1 - Wasserstoff-brennstoffzelle mit zweitakt-katalysatorelektroden - Google Patents

Description

Titel: (technische Bezeichnung wie im Erteilungsantrag angegeben)

Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Zweitakt-Katalysatorelektroden.

Gattung des Anmeldungsgegenstandes: (mit Hinweis auf den Oberbegriff des Patentanspruchs 1)

Die Erfindung betrifft einen mit regenerierbaren Reaktionsredukten - Wasserstoff und Sauerstoff - betriebenen umweltfreundlichen elektrochemischen Gleichstromgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Angaben zur Gattung:

In Wasserstoff-Brennstoffzellen mit Zweitakt-Katalysatorelektroden wird die freie Enthalpie der Oxidation von Wasserstoff mit dem Sauerstoff direkt in elektrische Energie umgewandelt, wobe die gasförmigen Reaktionsredukte Wasserstoff und Sauerstoff der Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt werden und das Reaktionsprodukt Wasser aus der Brennstoffzelle kontinuierlich entfernt wird. Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad beträgt 70-80%.

Stand der Technik mit Fundstellen

In allen zur Zeit bekannten Typen von technischen Wasserstoff-Brennstoffzellen können - meist nur kurzzeitig - Stromdichten von 20-400 mA · cm^-2 bei Zellspannungen von 0,7-0,8 V und Höchstleistungen von 3660 W·h·kg erzielt werden. Die Gesamt-Reaktionshemmung und auch die Störanfälligkeit sind für große elektrische Leistungen jedoch viel zu hoch /1-22/. Die Anwenung von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist deshalb, trotz vieler Versuche zur Verallgemeinerung, nur auf wenige Spezialgebiete beschränkt geblieben.

Kritik des Standes der Technik:

Der Hauptgrund für das unerwünschte Leistungsverhalten von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist in dem viel zu sehr diffusions- und reaktionsgehemmten Volmer-Reaktionsmechanismus und in dem angewendeten statischen Phasenschema zu suchen.

Aufgabe:

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde den Volumer-Reaktionsmechanismus über ein dynamisches Reaktionsverfahren - welches formal dem Prinzip eines Zweitaktmotors entspricht - zu enthemmen. Dadurch können wesentlich höhere Stromdichten erzielt werden als es an klassischen Wasserstoff-Brennstoffzellen technisch machbar ist.

Lösung:

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäßig dadurch gelöst daß man Katalysatorelektrodenscheiben (4) - die auf einer horizontal rotierenden Achse (3) montiert sind - über Zweiphasenbereiche (Gasphase)/(Elektrolytlösung) rotieren läßt. Infolge stetigen Abtropfens der Elektrolytlösung vom Elektrodenbereich 4(T) erreicht man daß der Adsorptions-Reaktionsteilschritt mit großer Geschwindigkeit im Gas-Adsorptionsraum 4(T), stattfindet. Zugleich findet der stromerzeugende Volmer-Reaktionsteilschritt ungehemmt im Reaktionsraum 4(V) statt. Jedes Elektroden-Oberflächenelement erfüllt dadurch abwechselnd zwei komplementäre Funktionen, als Gas-Adsorber im Reaktionsraum 4(T) und als Katalysator-Elektrode im Reaktionsraum 4(T). Durch diese technisch recht einfach zu realisierende Entkopplung der Reaktionsteilschritte wird die reaktionshemmende Abschirmung der elektrokatalytisch aktiven Zentren gegenüber den reagierenden Gasphasen durch gasundurchlässige Elektrolytlösungsschichten und. Filme aufgehoben. Es entfällt die Notwenigkeit der Anwendung von reaktionshemmenden Membranstrukturen. Zusätzlich wird durch die Rührwirkung der Elektrodenrotation auch noch die Elektrolytpolarisation aufgehoben.

Erzielbare Vorteile:

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß die Tafel-Adsorptionshemmung und die Elektrolytpolarisation wesentlich abgebaut werden, und daß der Membranwiderstand und die damit verbundene Störanfälligkeit entfällt. Die einfach und robuste Konstruktion ermöglicht Einsparungen an Arbeitsaufwand, an Materialaufwand, an Wartungskosten, bei einem wesentlichen Gewinn an elektrischer Leistung.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels:

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen,

Fig. 1 Phasenschema einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit rotierenden Zweitakt-Katalysatorelektroden,

Fig. 2 Längsschnitt durch eine Wasserstoff-Brennstoffzelle mit rotierenden Zweitakt-Katalysatorelektroden.

Alle Bestandteile der Wasserstoff-Brennstoffzelle sind in einem quaderförmigen, wärmebeständigen Zellgefäß (1) aus Plastmasse montiert. Für den horizontal rotierenden Brennstoffzellen-Rotor sind an gegenüberliegenden Innenseiten des Zellgefäßes elektronenleitende Kontaktlager (2) befestigt. Die Polklemmen (+) und (-) sind mit den Kontaktlagern leitend verbunden. Die Rotorachse besteht aus einem nicht-elektronenleitenden zylinderförmigen Kernstück (3). Auf die Achse (3) werden dem Schaltschema entsprechend Katalysator-Elektrodenscheiben (4) und Verbindungselemente aufgepreßt (6). Diese stellen stromleitende Verbindungen oder Unterbrechungen zwischen den Elektrodenscheiben und den Kontaktlagern her. Dadurch erfüllt die Rotorachse auch die Funktion des Stromkollektors und des Stromverteilers zugleich. Scheibenförmige Katalysatorelektrodenscheiben (4) können durch Pressen, Sintern, Verschweißen oder Vernieten von Bauteilen und anschließende elektrolytische Beschichtung mit Katalysatormetall hergestellt werden. Jede Zweitakt-Katalysatorelektrode ist in eine Gas-Adsorptionsglocke (5) aus ebenfalls wärmebeständiger Plastmasse eingebaut. Dadurch ist gewähleistet daß die gasförmigen Edukte die Wasserstoff-Brennstoffzelle nur über die Elektrodenreaktion verlassen können - weil die im Gas-Adsorptionsraum ungehemmt entstehenden Zwischenprodukte K-H und K-OH stetig in die Elektrolytlösung hineinrotiert werden - um als K-(?) wieder in den Gas-Adsorptionsraum zurückrotiert zu werden, wo ein neuer Reaktionszyklus beginnt. Bei Stromschluß reagieren die Zweitakt-Wasserstoffelektrode und die Zweitakt-Sauerstoffelektrode mit rotationsbedingter Oberflächenkonzentration von K-H und von K-OH nach einem enthemmtem Zweitakt-Volmer-Reaktionsmechanismus. Zum Antrieb des Brennstoffzellen-Rotors kann ein elektrischer Steuermotor mit Untersetzungsgetriebe angewendet werden, worauf in den Fig. 1 und 2 nicht eingegangen wird.

Claims (2)

Oberbegriff:Kennzeichnender Teil:

1. Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Zweitakt-Katalysatorelektroden,

gekennzeichnet durch die gesteuerte Rotation von reagierenden scheibenförmigen Katalysatorelektroden über Zweiphasenbereiche (Gasphase)/(Elektrolytlösung).