CH477096A - Verfahren zum Betrieb einer Methanol-Sauerstoff-Brennstoffzelle - Google Patents

Description

  Verfahren zum Betrieb einer     Methanol-Sauerstoff-Brennstoffzelle       Verfahren zum Betrieb einer     Methanol-Sauerstoff-          Brennstoffzelle    mit alkalischen Elektrolyten, mit Be  triebszyklen, die sich jeweils zwischen zwei aufeinander  folgende Erneuerungen des     Brennstoffelektrolytgemi-          sches    erstrecken, wobei das     Brennstoffelektrolytgemisch     während eines sich an eine solche Erneuerung     anschlies-          senden    Teils des Betriebszyklus in seinem Brennstoff  anteil eine Komponente geringerer elektrochemischer  Kapazität als die des Methanols aufweist. Neben ande  ren Vorteilen weisen sie z.

   B. gegenüber Bleiakkumula  toren eine wesentlich höhere Kapazität pro Gewicht und  Volumen auf. Diese Eigenschaften empfehlen ihre An  wendung z. B. als Energiequellen zum Betrieb von  Leuchtbojen und von Sendern und Relaisstationen an  schwer erreichbaren Orten. Die geringe Leistung dieser  Brennstoffzellen bringt jedoch besonders bei den ge  nannten Anwendungen den Nachteil mit sich, dass die  Zellen jeweils die Umgebungstemperatur annehmen und  daher nicht immer bei einer für die elektrochemische  Umsetzung günstigen Temperatur arbeiten können. Bei  sinkender Betriebstemperatur führt nämlich die erhöhte  Polarisation der Elektroden zu einer Verminderung der  Klemmenspannung.  



  Zur Verdeutlichung der Verhältnisse werden in     Fig.     1 die     Strom-Spannungskennlinien    einer     Methanol-Sauer-          stoff-Brennstoffzelle    mit einer Füllung von 9 n     KOH     und 4 m Methanol für die Betriebstemperaturen     -f=20     C  und 0  C wiedergegeben.  



  Man sieht, dass die Klemmenspannung dieser Zelle,  die bei     -f-20     C und einer Belastung von 200     mA    noch  0,6 Volt beträgt, bei derselben Belastung und 0  C auf  ca. 0,44 Volt absinkt. Bei noch tieferen Temperaturen  bricht die Klemmenspannung vollends zusammen.  



  Durch diese Tatsache kann eine     Methanol-Sauer-          stoff-Brennstoffzelle,    die z. B. während der Sommer  monate zur Zufriedenheit arbeitet, während der kalten  Jahreszeit unbrauchbar werden.  



  Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum  Betrieb einer     Methanol-Sauerstoff-Brennstoffzelle    auf  zuzeigen, bei dem die     erwähnte    nachteilige Erscheinung    eines Absinkens der Klemmenspannung in wesentlich  geringerem Masse auftritt.  



  Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch ge  kennzeichnet, dass die Brennstoffzelle     während    des sich  an eine Erneuerung des     Brennstoffelektrolytgemisches     anschliessenden Teils des Betriebszyklus bei niedrigeren  Temperaturen als     -f-20     C betrieben wird und dass der  Brennstoffanteil des erneuerten Gemisches Methanol  und     Formiat    im Verhältnis 1:0,5 bis 1:2     Mol    enthält.  



  Die Grundlagen des erfindungsgemässen Verfahrens  sowie ein Beispiel seien nachstehend eingehend erläutert.  Es ist bekannt, dass die     anodische    Oxydation des  Methanols in alkalischen Elektrolyten über seine Folge  produkte, nämlich den Formaldehyd und das     Formiat    zu       Carbonat    erfolgt. Zur Abklärung des Temperaturverhal  tens in den verschiedenen Phasen des     Brennstoffzyklus     wurde für bestimmte Katalysatoren die Temperatur  abhängigkeit von Methanol, von Formaldehyd und von       Formiat    jeweils für sich untersucht.  



  In     Fig.    2 sei das Ergebnis der Messungen mit einer       Ni-Netzelektrode    (10 X 10 mm) wiedergegeben, die mit  einem     Pd/Pt    Katalysator im Mischungsverhältnis 4:1 mit  einer Flächendichte von 4     mg/cm2    belegt ist. Die Kurven  a, b und c zeigen respektive für Methanol, Formaldehyd  und     Formiat    die Temperaturabhängigkeit der von der  Elektrode abgegebenen Stromstärke bei einem     Elektro-          denpotential    von     -I-700        mV    gegen die H2 Elektrode.

    Wie man sieht, ist der Brennstoffumsatz, der jeweils der  Stromstärke     proportional    ist, für     Formiat    und Formal  dehyd grösser als für Methanol. überdies sinken die  Stromstärken bei     Formiat    und Formaldehyd (Kurven c  und b) wesentlich weniger stark mit der Temperatur ab  als bei Methanol (Kurve a).  



  Auf Grund dieser Ergebnisse könnte man versucht  sein, Formaldehyd oder     Formiat    als Brennstoff anstelle  von Methanol zu verwenden. Dies würde jedoch zu einer  wesentlich geringeren Kapazität der Brennstoffzelle füh  ren. Bei einem     Elektrolyt-Brennstoffgemisch    von 9 n       KOH+4    m Brennstoff weisen Formaldehyd und For  mfiat nämlich nur spezifische Kapazitäten von 340     Ah/kg         bzw. 170     Ah/kg    auf, während dieser Wert für Methanol  530     Ah/kg    beträgt.  



  Bei einem Betriebszyklus mit einem Teilzyklus, in  dem die Temperaturen durchschnittlich niedriger als       -f-20     C sind, wird gemäss der Erfindung der Effekt des  günstigeren Temperaturverhaltens des     Formiats    mit  dem Effekt der höheren Kapazität des Methanols da  durch vorteilhaft kombiniert, dass die Erneuerung des       Brennstoff-Elektrolyt-Gemisches    zu Beginn dieses Teil  betriebszyklus erfolgt und dass der Brennstoffanteil des  erneuerten Gemisches neben Methanol aus     Formiat    be  steht.  



  Wenn man also z. B. eine     Brennstoffzellenbatterie     für einen einjährigen Betriebszyklus auslegt, erfolgt die  Erneuerung des     Brennstoff-Elektrolyt-Gemisches    zu Be  ginn der kalten Jahreszeit. Wegen ihres wesentlich stär  keren Umsatzes bei tiefen Temperaturen wird dann wäh  rend der kalten Zeit vorwiegend das     Formiat    verbraucht  werden. Ihre Mengen werden so eingestellt, dass zu Be  ginn der warmen Jahreszeit im wesentlichen nur mehr  Methanol vorhanden ist, so dass dann die höhere Ka  pazität des Methanols zum Tragen kommt.  



  Es hat sich gezeigt, dass bei einem Mischungsver  hältnis     Methanol/Formiat    von 1:0,5 bis 1:2     Molteile    je  nach Dauer der kalten Jahreszeit gute Resultate erreicht  werden können.    Um das im Vergleich zu Methanol verbesserte Tem  peraturverhalten einer     Methanol-Formiat-Mischung    zu  Beginn des Betriebszyklus aufzuzeigen,

   sei in     Fig.    3 im  Vergleich mit     Fig.    1 die     Strom-Spannungskennlinie    einer       Methanol/Formiat-Luft-Brennstoffzelle    mit einem       Brennstoff/Elektrolyt-Gemisch    von 7 n     KOH    und je 2 m  Methanol und     Formiat    bei verschiedenen Temperaturen  wiedergegeben.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verfahren zum Betrieb einer Methanol-Sauer- stoff-Brennstoffzelle mit alkalischen Elektrolyten, mit Betriebszyklen, die sich jeweils zwischen zwei aufeinan derfolgende Erneuerungen des Brennstoffelektrolytge- misches erstrecken, wobei das Brennstoffelektrolytge- misch während eines sich an eine solche Erneuerung an- schliessenden Teils des Betriebszyklus in seinem Brenn stoffanteil eine Komponente geringerer elektrochemi scher Kapazität als die des Methanols aufweist, dadurch gekennzeichnet,

   dass die Brennstoffzelle während des sich an eine Erneuerung des Brennstoffelektrolytge- misches anschliessenden Teils des Betriebszyklus bei niedrigeren Temperaturen als -f-20 C betrieben wird und dass der Brennstoffanteil des erneuerten Gemisches Methanol und Formiat im Verhältnis 1:0,5 bis 1:2 Mol enthält. <I>Anmerkung des</I> Eidg. <I>Amtes für geistiges Eigentum:</I> Sollten Teile der Beschreibung mit der im Patentan spruch gegebenen Definition der Erfindung nicht in Ein klang stehen, so sei daran erinnert, dass gemäss Art. 51 des Patentgesetzes der Patentanspruch für den sach lichen Geltungsbereich des Patentes massgebend ist.