DE1496110A1

DE1496110A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE1496110A1
Application number: DE19631496110
Authority: DE
Inventors: Mcquade James Martin; Hamlen Robert Paul; Nilson Ronald Robert
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1962-03-30
Filing date: 1963-03-27
Publication date: 1969-06-04
Also published as: US3268365A; GB1037666A; FR1352040A

Description

Die Erfindung betrifft ganz allgemein Brennstoffzellen, die/ bei hohen Temperaturen oberhalb· des Schmelzpunktes des Elektrolyten unter Verwendung eines geschmolzenen Elektrolyten arbeiten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine neuartige Zusammensetzung einer Gas-Brennstoffzelle, die bei hohen Temperaturen arbeitet, in der di.e. beim -Betrieb der Zelle anfallenden .-elektrochemischen Erzeugnisse durch den Elektrolyten ausgestossen werden. Die Erfindung betrifft vorwiegend eine abgewandelte Gas-Brennetoff-zelle_f -die einen*gasdurchlässigen Elektrolyten und neuartige Elektroden enthält, welche verhindern, daß die reagierenden Gase sich vermischen und die durch den Ze'libetrieb entstandenen Erzeugnisse durch die Elektroden zurückdiffundieren.

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung zur unmittelbaren Umwandlung eines Brennstoffes und eines Oxydationsmittels in elektrische Energie, ohne daß die Stoffe durch die bekannten Verbrennungövorgänge zur Reaktion gebracht werden. In einer Gas-Brennstoffzelle sind sowohl der Brennstoff als

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auch die - Oxydationsmittel_; Gase, die an der.- Anode.bzw* der · Kathode der Zelle,; getrennt, und ionisiert reagieren. "Bei. einer■'..·>.·..>; Zelle, in der Was sers toffgas als .Brennstoff ■ verwendet wird r wird das Wasserstoffmolekül an der Anode ionisiert» so daß Wasserstoff-Ionen entstehen, wobei während der Reaktion zwei Elektronen an der Elektrode frei werden. Wird Sauerstoffgas als Oxydationsmittel verwendet, dann entstehen Sauerstoff-Ionen durch die Reaktion an der Kathode, die wandern und mit den Wasserstoff-Ionen reagieren und Wasser bilden. Die Ionisation der reagierenden Gase tritt gewöhnlich nach der Absorption des jeweilig verwendeten Gases durch ein katalytisch wirkendes Metall an der entsprechenden Elektrode ein. Bei den üblichen Gas-Brennstoffzellen, in denen beide Elektroden porös sind, reagieren die absorbierten Gase in den Poren der Elektrode an einer Dreiphasen-Grenze zwischen dem Gas, dem flüssigen Elektrolyten und der Elektrode, wobei an der Anode Elektronen frei werden, die für die Reaktion an der Kathode erforderlich sind. Der Elektronenfluß wird erzeugt, damit ein elektrischer Strom geliefert wird, der durch die ausseren Verbindungen der beiden Elektroden fliesst. Ein Elektrolyt, der sowohl mit der Anode als auch der Kathode in Berührung gelangt, ist für die gesamte elektrochemische Reaktion in der Zelle und auch für die Vervollständigung des elektrischen, Stromkreises der Zelle erforderlich. Damit der Elektrolyt die, beschriebenen Aufgaben übernehmen kann, die in den Gas-Brennstoffzellen mit geschmolzenem Elektrolyten nach dei* Erfindung "durchgeführt ^;werden mÜBsen," ist es notwendig, daß "der Elektrolyt

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bis zum Schmelzen erhitzt wird. Die Wärmezufuhr von nüssen kann gewöhnlich nach Eintritt der Zellbetrldbs abgeschaltet werden, da die elektrochemische Reaktion exotherm verläuft.

i Die bekannten elektrolytisch arbeitenden Gas-Brennstoffzellen j

bestehen aus einer mittleren Elektrolytschicht aus einem Alkalicarbonat, einer porösen Metallelektrode, die die Reaktion an der Anode bzw. die Reaktion des gasförmigen Brennstoffes katalysiert und mit einem Teil des Elektrolyten in Berührung ist, einer porösen Metallelektrode, die mit dem entgegengesetzten Teil des Elektrolyten in Berührung ist und die Reaktion an der Kathode oder des Oxydationsmittels katalysiert und aus einem Mittel, das der entsprechenden Elektrode den Brennstoff bzw. die oxydierenden Gase zuführt. Während des Betriebs der herkömmlichen Zellen wird das oxydierende Gas ionisiert durch den geschmolzenen Elektrolyten getragen, und an der Anode der Zelle wird das Reaktionsprodukt gebildet. Werden Wasserstoff als Brennstoff und eine Mischung von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxyd als Oxydationsmittel verwendet, dann liefern die bekannten Zellen gasförmiges Wasser und Kohlenstoffdloxyd auf der Wasserstoffseite der Zelle. Die gasförmigen Erzeugnisse der Zelle werden durch die poröse Anode abgezogen, da der Elektrolyt in bekannter Weise nicht paus ist, damit eine Vermischung der reagierenden Gase möglichst vermieden wird.

Werden die Reaktionsprodukte der Zelle lediglich durch die poröse Anode abgezogen, dann wird der eintretende Gasstrom dadurch, verdünnt. Die Verdünnung des Brennstoffes durch die Reaktionsprodukte der Zelle führt zu einer verringerten Leistungsfähigkeit

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der Zelle, da ein Teil des Brennstoffes dazu dienen muß, die Reaktionsprodukte aus der Zelle zu treiben. Ausserdem erhöht die bloße Anwesenheit der Reaktionsprodukte an der Anode die Polarisationsverluste, wodurch die Leistungsfähigkeit noch stärker beeinträchtigt wird. Eine Änderung der bekannten Brennstoffzellen, die nur daraufhin zielt, eine poröse Elektrolytschicht zu liefern, die lediglich einen Abzug durch den Elektrolyten herbeiführt, wäre unbefriedigend. Eine derartige Abänderung führt zu einer Beförderung des Brennstoffes und des Oxydationsmittels in den Elektrolyten der schon deshalb unerwünscht ist, weil er unmittelbar zum Verbrennen der Gase führt. Polglich ist es darüber hinaus erforderlich, wenn man einen porösen Elektrolyten in einer Gas-Brennstoffzelle verwenden will, daß die Elektroden in ihrem Aufbau abgewandelt werden, so daß ein Vermischen der reagierenden Gase im Elektrolyten verhindert wird.

Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist, eine Brennstoffzelle zu liefern, die einen gasdurchlässigen Elektrolyten und abgeänderte Elektroden enthält, so daß ein unmittelbarer Abzug der Zellprodukte aus dem Elektrolyten ermöglicht wird und ein Mittel geliefert wird, das den porösen Elektrolyten während des Betriebs der Zelle mit einem geschmolzenen Elektrolyten auf-• füllt.

Die genannte und andere Aufgaben der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten

Zeichnung, genauer verständlich werden.

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Die Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß

bevorzugte Brennstoffzelle» Figur 2 eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht

der zusammengesetzten Brennstoffzelle von Fig.

Zusammengefaßt kann man sagen, daß die Brennstoffzellen nach der Erfindung einen Elektrolyten enthalten, der aus einer einheitlichen Masse von feuerfesten alkalischen Teilchen besteht, die eine poröse Paste bei etwa ^oo°C oder mehr darstellen, und Elektroden, die in unmittelbarer Berührung mit den gegenüberliegenden Teilen des Elektrolyten sind, wobei jede der Elektroden aus einer haftenden Masse von katalytisch wirkenden Metallteilchen besteht und wenigstens eine der Elektroden mit einem feuerfesten Alkali getränkt ist, ausserdem aus einem Mittel für die Zufuhr des Brennstoffgases zu einer Elektrode und einem Mittel für die Zufuhr eines Oxydationsmittels zur entgegengesetzten Elektrode. Der Ausdruck "feuerfestes Alkali", der in dieser Beschreibung zur Bezeichnung eines Elektrolyten verwendet wird, der erfindwngsgemäß verwendet wird, bezeichnet anorganische Hydroxyde und Carbonate, die bei den Betriebstemperaturen der Zelle chemisch unverändert bleiben und geschmolzene Flüssigkeiten sind. Der Betrieb der Zelle mit den erfindungsgemäßen Elektroden und dem Elektrolyten nach der Erfindung unterscheidet sich von.dem der bekannten Zellen dadurch, daß die Reaktionsprodukte der Zelle unmittelbar aus dem Elektrolyten abgezogen werden, ohne daß. die üblichen Vorgänge au einer der beiden Elektröfen dadurch beeinträchtigt werden.

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Bel einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Brennstoffzelle mit einer ausserordentllch geringen Polarisation hergestellt, indem man eine poröse Silberkathode mit einer ternären Mischung aus Natrium-, Lithium- und Kaliumcarbonat tränkt und die derartig getränkte Elektrode gegen eine Fläche der pastenförmigen, porösen Elektrolytscheibe preßt» die vorher mit einer dünnen Silberschicht flammenbesprüht¹ wurde. Eine Brennstoffelektrode wird auf der entgegengesetzten Seite der Elektrolytscheibe aufgetragen, indem man eine dünne Schicht aus pulverisiertem Nickel unmittelbar auf die Oberfläche aufsprüht. Die zusammengesetzte Elektrode mit dem Elektrolyten wird nachfolgend zwischen zwei Gehäuseteilen eingesetzt, die so vorbereitet sind, daß die reagierenden Gase auf die Aussenflachen der Elektroden gelenkt werden können, womit die Zelle vervollständigt ist.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit sehr geringen PolarisationsVerlusten durch Flammenbesprühen einer porösen Nickelplatte mit einer pastenartigen Elektrolytmischung und· durch Pressen einer porösen Silberplatte, die mit einem Alkalicarbonat getränkt wurde, gegen die Aussenfläche des pästenartigen Elektrolyten tind durch Vereinigung des zusammengesetzten Gefüges Innerhalb der bereits beschriebenen Gehäuseteile aufgebaut.

Die zusammengesetzte Brennstoffzelle der Fig. 1 umfaßt einen festen, porösen Elektrolyten 1, der aus einer gebundenen Kasse aus feuerfesten Alkaliteilchen besteht, eine Kathode 2, die aus einer poÖsen Silberplatte aus haftenden, katalytisch wirkenden

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Metallteilchen besteht, welche mit einem feuerfesten Alkali getränkt wurden, das auf der Fläche der Elektrode aufgetragen ist, die mit dem EMtrolyten in Berührung gelangt, und aus einer Anode J, die aus einer haftenden porösen Masse aus katalytisch wirkenden Metallteilchen besteht, welche in Berührung mit der entgegengesetzten Seite des Elektrolyten gelangen, wobei alle genannten Teile in einem Metallgehäuse enthalten sind, das so eingerichtet 1st, daß die reagierenden Gase den Aussenflachen der Elektroden zugeführt werden können. Elektrische Leitungen 4 und 5 sind an der Seite der Elektroden angebracht, an der die Gase auftreffen, damit die in der Zelle erzeugte Energie den äusseren Abnahmevorrichtungen zugeführt werden kann. Die Elektrode und die elektrolytischen Teile werden in den Gehäuseteilen 6 und 7 durch Bolzen Io, Muttern 11 und Dichtungsmanschetten 12, wie in der Zeichnung angegeben, gehalten. Der Gehäuseteil 6 besteht aus einem Metallgehäuse mit einer Vertiefung 13» durch die das Brennstoffgas der Aussenflache der Anode durch eine Leitung 14 zugeführt wird und besitzt eine zusätzliche Leitung 15 für den Abzug des überschüssigen oder nicht zur Reaktion gebrachten Gases aus der Vertiefung. In ähnlicher Weise besteht der Gehäuseteil 7 aus einem Metallgehäuse mit einer Vertiefung 16 mit den Leitungen 17 und 18 für die Zirkulation eines oxydierenden Gases, das der Kathode zugeleitet wird. Aus der Zeichnung läßt sich entnehmen, daß die zusammengesetzte Zelle am Umfang I9 des Elektrolyten den Ausstoß der Zellprodukte ermöglicht, wodurch die Leistung der Zellen nach der Erfindung gesteigert wird.

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Es wird nicht beabsichtigt, die allgemeinen Abmessungen der Zellen nach der Erfindung und deren Aufbau auf die in den Zeichnungen dargestellten Möglichkeiten zu beschränken, da sofort einleuchtet, daß verschiedene Zellanordnungen in der beschriebenen Weise arbeiten können. Obwohl die Gehäuse der Zelle vorzugsweise aus Metall hergestellt wurden, kann im Rahmen der Erfindung auch eine Keramik für die Herstellung der Gehäuseteile, teilweise oder ausschließlich, verwendet werden. Besteht das gesamte Gehäuse aus einer Keramik, dann besitzt dieses noch den Vorteil, daß die elektrische Isolierung überflüssig wird, die notwendig ist, um einen geringen Widestandsweg zwischen den Elektroden zu verhindern. Ausserdem soll angemerkt werden, daß an Stelle der dargestellten elektrischen Leitungen, die sich von den Elektroden nach aussen erstrecken, auch äussere elektrische Verbindungen angebracht werden können, die unmittelbar mit Metallgehäuseteilen verbunden sind, ohne daß erhebliche Energieverluste auftreten."

Ein poröser Elektrolyt für die erfindungsgemäße Zelle wurde aus einer besoiöferen Mischung hergestellt, die annähernd 5° Gewichtsprozent Magnesiumoxyd und 5o Gewichtsprozent einer Mischung aus gleichen Teilen von Lithium-, Natrium- und Kaliumcarbonat enthielt. Ein derartiger Elektrolyt bestand aus einer kaltgepressten pulverisierten Mischung, die bei Zimmertemperatür unter einem Druck von annähernd 0.7 kg/mm in einer Gußform gepresst wurde. Der gepresste Elektrolyt wurde aus der Gußform entnommen, Io Minuten lang auf 7oo C erwärmt und nachfolgend abgekühltι Der entstandene Teil ist ein poröser Körper, der

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bei den Betriebstemperaturen der Zelle pastenartig in seiner Beschaffenheit wird, da der anwesende Elektrolyt geschmolzen ist. Bei den üblichen Temperaturen lassen sich die flammengesprühten Elektrodenschichten mit Hilfe der herkömmlichen Verfahren auf -den vorbereiteten Teil auftragen. Obwohl der poröse Elektrolyt vorzugsweise durch Kaltpressen hergestellt wird, weil ein solches Verfahren einfach und nicht umständlich ist, soll betont werden, daß andere Verfahren zur Herstellung zulässig sind, die ebenfalls die gewünschte, poröse Struktur liefern, z.B. einfaches Formen der warmen Mischung in der Hand, Warmpressen und selbst ein Flammensprühen der Mischung auf die entsprechende Elektrode. Die wirkliche Porösität und die Porengröße der Gasöffnungen im porösen Elektrolyten sind nur insoweit entscheidend, als sie die gasförmigen Zellprodukte (d.h. die während des Betriebs der Zelle entstandenen Reaktionsprodukte) durchlassen müssen und hängen in erster Linie von der in der betriebenen Zelle erzeugten Gasmenge ab. Eine befriedigende Arbeitsweise einer Zelle nach der Erfindung wird mit Elektrolyten erreicht, die nur einen geringen Prozentsatz an Porösität aufweisen. Andererseits führt eine Porösität von mehr als etwa 4-0 Volumenprozent zu einem unerwünscht zerbrechlichen Gefüge.

Der poröse Elektrolyt, der in der beschriebenen Weise angefertigt wurde, wurde mit einer annähernd o.o5 mm starken Schicht aus porösem Nickel durch Flammenaufsprühen bedeckt, die als Brennstoffelektrode der Zelle diente. Gegen die entgegengesetzte Aussenfläche des Elektrolyten wurde eine getränkte Silberplatte

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- Io -

von etwa 1.6 mm Stärke gepreßt, die die Sauerstoffelektrode der Zelle darstellte. Die getränkte, nicht poröse Sauerstoffelektrode wurde hergestellt, Indem man eine ausreichende Menge einer Mischung von gleichen Teilen von Natrium-, Lithium- und Kaliumcarbonat auf der Aussenflache der Elektrode miteinander verschmolz, so daS die poröse Silberplatte vom Gasstrom nicht mehr durchdrungen werden konnte. Beispielsweise wurden Silberplattenelektroden mit einer Porösität von etwa Jo - 5o Volumenprozent in befriedigender Weise mit einer geschmolzenen Mischung aus gleichen Teilen von den genannten Carbonaten als Elektrolyt getränkt, wobei annähernd 0.? - 1.2 g/cm des gesamten Elektrodenvolumens in dieser Weise ausgefüllt wurden. Elektrolyt und Elektroden wurden nachfolgend zwischen den in der Zeichnung dargestellten Gehäuseteilen angebracht, so daß die Zelle vervollständigt wurde.

Beim Betrieb wurde die zusammengesetzte Zelle zunächst durch eine (nicht gezeigte) äussere Wärmequelle aufgeheizt, so daß die Temperatur geliefert wurde, die zum Schmelzen des Elektrolyten erforderlich 1st. Bei Elektrolyten, die aus einer Mischung von Lithium-, Natrium- und Kaliumcarbonaten bes.tehen, genügt ein Aufheizen auf mehr als 5oo°C zum Schmelzen der Carbonatmischung, und der Betrieb der Zelle setzt mit der Zufuhr von Wasserstoff oder " einem anderen Brennstoff und einer Kohlenstoffdioxyd-Sauerstoff-Mischung zu den Aussenflachen der Elektroden ein. Die Mischung aus den oxydierenden Gasen, die in der Zelle nach der Erfindung Verwendung findet, besteht aus annähernd 33 Volumenprozent Sauerstoff und annähernd 6? Volumenprozent Kohlenstoffdioxyd.

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Die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs bei erhöhten Temperaturen gestattet die, Absorption und Diffusion des Gases durch die poröse Elektrode und die nachfolgende Reaktion an der Oberfläche der Elektrode, die dem Elektrolyten benachbart ist. Die Reaktion zwischen Wasserstoff- und Carbonat-Atorn-Ionen im Elektrolyten kann durch die nachstehende, allgemeine Reaktionsformel dargestellt werden:

(1) H₂ + CO₃"² > H₂O + CO₂ + Ze

Die durch die Reaktion frei gewordenen Elektronen werden an der Elektrode selbst gesammelt und dem äusseren Stromkeis der Zelle zugeführt. Die besondere Struktur des verwendeten Elektrolyten fördert die erwünschte Wanderung in Richtung gegen den Strom während der beschriebenen Reaktion, so daß der elektrochemische Vorgang in der Zelle erleichtert wird. Insbesondere wandern die geschmolzenen Carbonat-Ionen zur Anode, an der sie durch die flüssige Phase des Elektrolyten zur Reaktion gebracht werden, und das gasförmige Kohlenstoffdioxyd an der Anode kann .:·■ der Kathode eine weitere Reaktionsfähigkeit verleihen, indem es die offenen Poren passiert.

Die Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases zur Aussenflache der Kathode bei erhöhten Temperaturen gestattet die Reaktion von· Sauerstoff und Kohlenstoffdioxyd auf oder in der Nähe der Aussenfläche der Silberschicht in Nachbarschaft des geschmolzenen Elektrolyten, die folgendermassen vor sich geht:

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(2) 2e + 1/2 O₂ + CO₂ — -> CO,"²

In der obigen Gleichung wird ausgedrückt, daß die Reaktion an der Kathode zwei Elektronen erfordert, die durch die Elektronenwanderung im äusseren Stromkreis geliefert werden, der der Elektrode angeschlossen 1st. Die Diffusion von Sauerstoff in die undurchlässige Kathode ist bei der Betriebstemperatur so befriedigend, daß es nicht notwendig ist, das sauerstoffhaltige Gas unter einem stark überatmosphärischen Druck einzuleiten, damit eine Diffusion herbeigeführt wird.

Die Eigenschaften der beschriebenen Zelle nach der Erfindung bei 65o°G werden in der nachstehenden Tabelle I angegeben:

Tabelle. I

Volt Stromdichte in mA/cm²

1.0? 0

1.06 . 10

1.04 20

1.02 31

1.00 42

0.99' 53

0.97 68

0.93 91

0.84 150

0.66 260

Im Gegensatz zu den oben angegebenen Ergebnissen waren die Betriebseigenschaften einer Zelle, die eine Silberkathode enthielt, die nicht zunächst mit dem Elöctrolyten getränkt worden war, unbefriedigend, da ein geringeres Potential bei offenem Stromkreis von 0.8 V geliefert wurde, weil Brennstoff und Oxydationsmittel sich vermischen konnten.

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Es lassen sich weitere Vorteile der erfindungsgemäß mit dem Elektrolyten getränkten Kathode anführen. Der Alkali-Elektrolyt auf der Elektrode oder in deren Nähe ist durch die Kapillarwirkung stets zur Auffüllung desselben vorhanden, falls während des Betriebs der Zelle der geschmolzene Elektrolyt zu stark verbraucht wird. Die zusätzliche Zufuhr des Elektrolyten füllt ausserdem Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der Berührungsflächen zwischen dem Elektrolyten und den Elektroden aus, wodurch der Innenwiderstand der Zelle gemindert wird.

Um eine noch andere Ausführungsform der Erfindung darzustellen, wurde eine Brennstoffzelle hergestellt, indem man eine der üblichen porösen Nickelplatten als Anode mit einem pastenartigen Elektrolyten flammenbesprühte, der die beschriebene Zusammensetzung besaß. Geeignete poröse Nickelplatten, die als Anode dienen können, sind im Handel erhältlich. Die in diesem Fall verwendete besaß eine mittlere Porenöffnung von 35/* » eine Stärke von annähernd o.8mm, einen Elastizitätsmodul von annähernd 1.5 χ lo~ und eine gemessene .Dichte von etwa k.5 g/cm^. Die Porosität des flammengesprühten Elektrolyten war erheblich größer als bei dem beschriebenen kaltgepreßten Elektrolyten, so daß wiederum erforderlich war, wenigstens eine der Elektroden zu tränken, damit ein Vermischen der reagierenden Gase verhindert wird. Es wurde also eine Silberplatte als Kathode mit der Mischung des Elektrolyten getränkt und dann die Zelle in der in Fig. 1 gezeigten Weise zusammengesetzt. Die Betriebseigenschaften einer derartigen Zelle bei 7oo°C unter Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff gas und einer oxydierenden Mischung aus annähernd 33

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Volumenprozent Sauerstoff und annähernd 67 Volumenprozent . Kohlenstoffdioxyd werden in der nachstehenden Tabelle II zusammengestellt:

Tabelle II

Volt

I.09 1.01 0.96 0.81 O.69 0.50

Stromdichte (mA/cm )

0 Ik 20 1*0 60 100

Die erfindungsgemäß bevorzugten Zellen verwenden ein geschmolzenes Carbonat an Stelle eines geschmolzenen Alkalihydroxyds als Elektrolyten, damit die Korrosion der Metallteile bei den erhöhten Temperaturen verringert wird. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch ein pastenartiger Elektrolyt verwendet werden, der aus einer Mischung von Alkalimetallhydroxyden al?ein besteht, insbesondere bei Verwendung von Zellen mit einem Keramikgehäuse oder anderen neutralen Gehäuseteilen. Eine geeignete Hydroxydpaste, die als Elektrolyt verwendet werden kann, besteht aus einer Mischung von Calclumhydroxyd als fester Phase und Kalium- bzw. Natriumhydroxyd als flüssiger Phase bei den erhöhten Betriebstemperaturen. Für eine bestmögliche Verwendung eines derartigen pastenförmigen Elektrolyten bei der Durchführung der Erfindung empfiehlt es sich, wenigstens eine der Elektroden mit einem geschmolzenen Hydroxyd zu tränken.

Figur 2 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der Brennstoffzelle von Flg. 1, In der die einzelnen Bestandteile der

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Zelle deutlicher erkenntlich sind. Die Elektroden und der Elektrolyt sind aus. Gründen der Übersichtlichkeit stark vergrößert dargestellt, obwohl die verhältnismäßige Stärke der einzelnen Teile in der gewünschten Beziehung wiedergegeben wird. Genauer gesagt, sind bei einer Zelle mit einem festen, porösen Alkaliteil, einer flammengesprühten Anode auf der Oberfläche des Elektrolyten und einer porösen Platte als Kathode bestimmte Stärkeverhältnisse für einen optimalen Betrieb der Zelle erwünscht. Es ist vorteilhaft, einen Elektrolyten mit einer Stärke von etwa 1.6 - "}.Z mm zu verwenden, damit die Zusammensetzung von Elektrolyten und Elektrode die erforderliche mechanische Festigkeit bei der Anbringung zwischen den Gehäuseteilen erhält und ausserdem ein ausreichendes Speiehervolumen für den Elektrolyten geliefert wird. Es empfiehlt sich darüber hinaus, die Stärke der porösen, flammengesprühten Anode auf wenige Hundertstel Millimeter oder noch weniger zu beschränken, damit die Diffusion des Wasserstoffs zur Berührungsfläche von Elektrode und Elektrolyt nicht verzögert wird. Befriedigende poröse Plattenkathoden mit einer Stärke von etwa 0,8 - 1.6 mm verstärken die mechanische Festigkeit der Zusammensetzung aus Elektroden und Elektrolyten. In den Figuren 1 und 2 sind die Durchlässe 2o und 21 Öffnungen in den Metallteilen des Gehäuses, die mit einer elastomeren elektrischen Isolie-ung ausgekleidet sind, so daß gasdichte Auslässe für die elektrischen Leiter der Elektroden geliefert werden. Geeignete Elektroden für die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen sind solche, von denen wenigstens eine aus einem riiehtporösen Metall besteht und mit dem alkalisehen Elektrolyten

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getränkt wurde. Jede Elektrode soli-te ein Elektronenleiter sein und den Brennstoff oder das oxydierende Gas absorbieren und als Katalysator für die Elektrodenreaktion dienen und bei den Betriebsbedingungen der Zelle selbst nicht erheblich oxydieren. Geeignete Stoffe sind beispielsweise die Edelmetalle der Gruppe VIII der Metalle im periodischen System der Elemente, d, h. · Rhodium., Ruthenium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin. Andere geeignete Metalle sind andere Metalle der Gruppe VIII, beispiels- · weise Nickel, Cobalt, Eisen usw. sowie andere Metalle, die katalytisch Gase absorbieren, z.B. Silber und Kupfer, und Metalle der Übergangsreihe, z.B. Mangan, Vanadium, Rhenium u.dgl.m, Ausserdem können Elektroden aus Platin- oder Palladiumruß verwendet werden, der auf die Metallgrundlage (z.B. aus nicht rostendem Stahl, Eisen, Nickel u.dgl.) niedergeschlagen wurde. Bestimmte Nichtmetalle, z.B. Kohlenstoff, die mit Palladium oder Platin aktiviert wurden, können ebenfalls als Elektrode verwendet werden. Auch Metalloxyde, die nicht durch das geschmolzene Carbonat angegriffen werden, können Verwendung finden.

Geeignete feuerfeste Teilchen, die als neutraler Bestandteil der elektrolytischen Zusammensetzung dienen können, sind Metalloxyde, Carbide, Boride, die sowohl chemisch beständig als auch thermisch dauerhaft bei den Betriebsbedingungen der Zelle sfrxd. Geeignete Stoffe zur Vereinigung mit einem geschmol-*

to zenen Alkali sind u.a. Oxyde» ζ·Β. Magnesiumoxyd, Thoriumoxyd, ο

^ Calciumoxyd, Bariumoxyd, Strontiumoxyd, Lanthanoxyd u.dgLm., _w feuerfeste. Carbide, z.B. Tantalcarbid, Titancarbid, Wolframoar-ο bid, Molybdäncarbid, Thoriumcarbid und Niobiumcarbid und feueren ".'■-.·" " - ■■■■■' ■ ■ -

* feste Boride» ζ,B, Calciumborid, Stromtiumborid, Lanthanb.orid_:» Cerlümborid, Thoriumborid, Bariumborid u.dgl.m. .-;■■-.-■ -.:-'.="■-

Claims

Patentanmeldung; Brennstoffzelle Patentansprüche CD O CD OD NJ Ca> »>* O

1. Gas-Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Elektrolyten besteht, der eine einheitliche Masse aus feuerfesten Alkaliteilchen darstellt und bei einer Temperatur von annähernd 4oo C oder mehr eine poröse Paste bildet, und daß die Elektroden in unmittelbarer Berührung mit den gegenüberliegenden Flächen des Elektrolyten sind, wobei jede Elektrode aus einer haftenden Masse aus katalytisch wirkenden Metallteilchen besteht und wenigstens eine der Elektroden mit dem feuerfesten Alkali getränkt wurde, und dadurch, daß ein Mittel vorhanden ist, das das Brennstoffgas einer Elektrode zuführt und ein Mittel, das das oxydierende Gas der anderen Elektrode zuführt.

2. Gas-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einer flammengesprühten Schicht auf einer Seite des Elektrolytan aus einem für das Brennstoffgas katalytisch wirkenden Metall besteht'und daß die Kathode eine nicht poröse, haftende Masse aus Teilchen ist, die katalytisch auf■ das- · "

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Oxydationsmittel wirken, wobei die Kathode mit dem feuerfesten Alkali auf der Seite getränkt ist, die mit der gegenüberliegenden Seite des Elektrolyten in Berührung gelangt.

3. Gas-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einer nicht porösen, haftenden Masse aus Metallteilchen besteht, die katalytisch auf das Brennstoff gas wirken, und mit dem feuerfesten Alkali auf der Seite getränkt ist, die mit dem Elektrolyten in Berührung gelangt, und dadurch, daß die Kathode aus einer nicht porösen, haftenden Masse von Metallteilchen besteht, die auf das Oxydationsmittel katalytisch wirken, und mit dem Alkali auf der Seite getränkt ist, die mit der gegenüberliegenden Fläche des Elektrolyten in Berührung gelangt.

k. Gas-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine dünne Silberschicht aufweist, die unmittelbar an eine Aussenflache gebunden ist, und dadurch, daß die Kathode aus einer nicht porösen, haftenden Masse von · Metallteilchen besteht, die auf das Oxydationsmittel katalytisch wirken, und mit dem Alkall an der Berührungsfläche mit der Silberschicht auf dem Elektrolyten getränkt ist, und dadurch, daß die Anode aus einer flammengesprühten Schicht aus einem Metall besteht, das katalytisch auf Wasserstoff wirkt, die auf der gegenüberliegenden Seite des Elektrolyten aufgetragen ist.

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