Brennstoffzelle Neben den seit langem bekannten galvanischen Zellen, deren stromliefernder Vorgang die meist re versible Änderung der Oxydationsstufe von Metal len ist, gibt es ferner die sogenannten Brennstoff zellen, die mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden können. Der Wir kungsgrad dieser Brennstoffzellen äst wesentlich hö her als der von Wärmekraftmaschinen und erreicht im allgemeinen Werte bis. zu 70 %.
Intensiv bearbeitet wurde bisher insbesondere das Kohle- sowie das Knallgaselement. Die technischen und wirtschaftli- chen Schwierigkeiten, bedingt durch die Notwendig keit hoher Temperaturen, hoher Drücke, teurer Elek troden usw., sind in beiden Fällen erheblich und noch keineswegs überwunden, so dass diesen Elementen bis heute keine weitreichende wirtschaftliche Bedeu tung zukommt.
Es wurde nun gefunden, dass ein brauchbares Element auf der Zersetzung von Natriumamalgam bzw. der Oxydation von Natriummetall als strom lieferndem Vorgang aufgebaut werden kann. Die Reaktionsgleichung für das Element lautet: Na + OH- + H + --#. NaOH + 1/2 H2 oder bei Gegenwart von Sauerstoff (Sauerstoff elektrode): 2 Na + 2 H, + 2 OH- + 1/2 02 .-@ 2 NaOH + 1120.
Der Brennstoff dieser Zelle ist, wie bereits ge sagt, Natrium in Form des Amalgams, während als Oxydationsmittel bzw. als Lieferant der benötigten Hydroxylionen Wasser oder Sauerstoff dient. Das Oxydationsmittel tritt dabei jedoch nicht direkt mit dem Natrium in Berührung, sondern über .ein die Reaktionsgeschwindigkeit regulierendes Medium in Form .eines niederen aliphatischen Alkohols.
Die erfindungsgemässe Zelle umfasst eine Kathode aus Natriumamalgam, eine Graphitanode und als Elek trolyten einen einen Initiator enthaltenden niederen aliphatischen Alkohol. Gegebenenfalls kann ein den Anodenraum begrenzendes Diaphragma vorgesehen sein.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise näher erläu tert: In Fig. 1 wird eine Zelle vom Laboratoriums massstab veranschaulicht. In einem Glasgefäss 1 von 50 mm Durchmesser ist ein Diaphragma 2 aus ge branntem Ton von 40 mm Durchmesser, 100 mm Höhe und 3-5 mm Wandstärke so eingelassen, dass seine Unterseite .einen Abstand von etwa 5 mm vom Gefässboden besitzt.
Der Zwischenraum zwischen Glasgefäss und Tondiaphragma ist mit Natr'umamal- gam 3 gefüllt, dessen Natriumgehalt 1 Gew.% nicht übersteigen sollte. Der durch das Diaphrama gebil dete Anodenraum 4 ist mit einer Graphitanode 5 von 20 mm Durchmesser versehen und mit Methanol, das geringe Mengen Wasser enthält, aufgefüllt. Der Stromfluss wird mit Hilfe eines Initiators ausgelöst (z.
B. 1,0 mg Wasserstoffperoxyd). Im weiteren Ver lauf des Verfahrens ermöglicht das intermediär ent stehende Natriumethylat anstelle des Initiators den Stromtransport. Die Spannung der Zelle beträgt rund 2 Volt, säe liefert pro g Natrium etwa 2 W/h. Die Leistung einer derartigen Zelle pro Fläche und Volu meneinheit kann durch Zusatz von 15-30 % Wasser stoffperoxyd erheblich gesteigert werden.
In der vor stehend beschriebenen Zelle werden ferner 0,001 m3 Wasserstoff pro g Natrium gebildet. Bei Anwendung einer Sauerstoffelektrode entfällt selbstverständlich die Wasserstoffbildung.
Beim Betrieb der Zelle wird das Natrium ver braucht, und zwar entsteht einerseits aus dem Amal gam reines Quecksilber, anderseits kombiniert sich das Natrium mit dem Methanol zum Alkoholat. Durch das im Methanol vorhandene Wasser ent steht in einer Sekundärreaktion NaOH, während der Methylalkohol zurückgebildet wird. Somit werden beim Betrieb der Zelle nur Natrium und Wasser ver braucht, wogegen sich :das Methanol ständig regene riert;
auf dem Diaphragmabogen sammelt sich kri stallines Natriumhydroxyd. Verwendet man diese Zelle als Sekundärzelle einer Chloralkali-Elektrolyse zur Rückgewinnung von Strom, so ergibt sich gegen über den bisher bekannten Verfahren zur Nutzung der Zersetzungsenergie des Amalgams als besonderer Vortzil, dass das Natriumhydroxyd nicht in wässriger Lösung, sondern kristallin anfällt.
Die beschriebene Zelle erspart somit zusätzlich zu ihrer hohen Energie ausbeute die Kosten für die Eindampfung der Na tronlauge.
Bei der Übersetzung in den technischen Massstab werden eine Reihe von Zellen in an sich bekannter Weise in Serie geschaltet, wie z. B. :aus Fig. 2 er sichtlich. Wie aus dieser Zeichnung zu ersehen, wird das Quecksilber in einem Behälter 11 hochgepumpt, in diesem durch einfaches Beimischen von metalli schem Natrium amalgamiert und von dort aus über den Verteiler 12 auf die Zellen verteilt, und zwar derartig, dass jeweils nur eine Zelle in derselben Zeit mit Amalgam gespeist wird. Diese Massnahme ist notwendig, da die Serienschaltung ansonsten kurz geschlossen würde.
Die Zellen 13, 13', 13" usw. verarbeiten das Amalgam und geben anschliessend das reine Queck silber über ein Sammelrohr 15 zu der Quecksilber pumpe. Zuvor passiert das Quecksilber zwecks Spannungsunterbrechung einen Unterbrecher 14, der z. B. in Form eines Schaufelrades aus Kunststoff ausgebildet sein kann. Andernfalls können die Zellen zwecks Spannungserhöhung nicht in Serie geschaltet werden. Das vom Natrium befreite Quecksilber wird von der Zahnradpumpe 16 sodann wieder zur Amal- gamierung hochgepumpt.
Für die Anodenflüssigkeit bzw. den Alkohol existiert eine eigene Pumpe und NaOH-Kläranlage, die nur von Zeit zu Zeit in Betrieb gesetzt werden muss, um das kristallisierte NaOH vom Diaphrag- maboden zu entfernen.
Schaltet man drei Zellen der beschriebenen Art in Serie, so wird mit 10 g Natrium ein Elektromotor von 6 Volt und 0,2 Amp. über 20 Stunden in Dauer betrieb gehalten, wobei noch ein entsprechender An teil Wasserstoff erhalten wird, der einer weiteren Verwertung zugänglich gemacht werden kann.
Die beschriebene Zelle und das damit durchführ- bare Betriebsverfahren sind zur Erzeugung von elek trischer Energie in jedem beliebigen Massstab geeignet und die bei der übertragung z. B. in den grosstechni schen Massstab zur ständigen Energieerzeugung er forderlichen Massnahmen sind dem Fachmann ge läufig. Der Raumbedarf der Zelle ist gering; es lassen sich Leistungen/Volumeneinheit von der Grössenordnung von 30 kW/m3 erzielen.
Das Diaphragma kann in der beschriebenen Zelle auch entfallen. In diesem Falle wird beispielsweise bei Vorhandensein von Luft oder Sauerstoff in einer flachen Zelle als Anode eine poröse und vielfach eingekerbte Graphitplatte verwendet und vertikal in einem flachen Glas- oder Kunststoffgehäuse einge bettet .(s. Fig. 3). Die Anode wird von dem direkten Kontakt reit dem Amalgam durch ein geschlossenes Textilgewebe geschützt.
Bei einer Anordnung gemäss Fig. 3 (Fig. 3 stellt eine Draufsicht in 10facher Vergrösserung dar), in der 21 das Amalgam, 22 das Textilgewebe, 23 die Graphitanode und 24 den Elektrolyten bezeichnet, beträgt die Leistung etwa 30 mA/cm2.
Unter Anwendung eines Alkohols bzw. Alkoholau als Elektrolyten lassen sich auch Metalle, die edler sind als Wasserstoff, wie z. B. Aluminium, Zink oder dergleichen, als Generatorenbrennstoff ver wenden, wobei sowohl mit als auch ohne Diaphragma gearbeitet werden kann.