CH636988A5

CH636988A5 - Regenerativbrennstoffzelle.

Info

Publication number: CH636988A5
Application number: CH1254778A
Authority: CH
Inventors: Donald Leonard Maricle
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1977-12-23
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1983-06-30
Also published as: SE7812699L; GB2011158A; JPS5496747A; CA1100180A; DE2853441A1; US4128701A; GB2011158B; FR2412957A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regenerativbrennstoffzelle, welche mit Wasserstoff und Chlor als Reaktionsgase betrieben wird.

Regenerativbrennstoffzellen zur Energiespeicherung sind gut bekannt. Solche Zellen werden im allgemeinen mit Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktionsgase betrieben. Diese Brennstoffzellen weisen jedoch verschiedene Nachteile auf, wobei der Hauptnachteil darin besteht, dass die hohe Überspannung für die Sauerstoffreaktion in einer jeden Richtung, Aufladung oder Entladung, die Energiespeicherwirkungsgrade auf etwa 55 bis 60% beschränkt, im Vergleich zum Energiespeicherwirkungsgrad von Sekundärbatterien von etwa 70%. Die hohe Überspannung führt auch zu einer ernstlichen Korrosion des Katalysators und der Trägermaterialien, wodurch die Lebensdauer der Kathode erniedrigt wird. Um dieser Korrosion vorzubeugen, ist es notwendig, Brennstoffzellen für die Aufladung und getrennte Brennstoffzellen für die Entladung vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Regenerativbrennstoffzelle, welche mit Wasserstoff und Chlor als Reaktionsgase betrieben wird. In Gegenwart geeigneter Katalysatoren können die Korrosionsprobleme weitgehend vermieden werden, da durch die niedrige Überspannung von Chlor eine reversible Zelle erhalten wird. Leistungswirkungsgrade von etwa 70% können erwartet werden.

Demzufolge geht die Erfindung aus von einer Regenerativbrennstoffzelle mit einer Matrix, je einer Elektrode auf beiden Seiten der Matrix, Gaskammern auf den der Matrix abgewandten Seiten der Elektroden, Mitteln zur Zufuhr von Reaktionsgasen in die Gaskammern und einem wässrigen Elektrolyten in der Matrix. Diese Zelle zeichnet sich gemäss der Erfindung durch die Reaktionsgase Wasserstoff und Chlor aus und dadurch, dass der Elektrolyt ein in Wasser gelöstes, leitfähiges Salz oder eine wässrige Lösung von Salzsäure ist, so dass das beim Betrieb der Zelle entstehende Wasserstoffchlorid im Elektrolyten gelöst oder absorbiert wird.

Durch diese Massnahmen kann die gleiche Brennstoffzelle für die Auf- und Entladung eingesetzt werden, ohne dass dabei übermässige Überspannungen auftreten, welche die Katalysatorstabilität beeinflussen oder Korrosionsprobleme schaffen könnten. Das leitfähige Salz oder die Säure als Elektrolyt werden zweckmässigerweise so ausgewählt, dass die Löslichkeit von Chlor kontrolliert werden kann, wodurch eine direkte chemische Reaktion mit Wasserstoff weitgehend eingeschränkt und eine maximale elektrochemische Reaktion mit Wasserstoff erhalten wird.

Zum besseren Verständnis wird nachfolgend mit Hilfe der einzigen Figur, welche einen Querschnitt darstellt, ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle gemäss der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Gemäss der einzigen Figur besteht die Brennstoffzelle aus einer porösen Matrix 2, in welcher sich der Elektrolyt befindet. Gemäss der gezeigten Ausführungsform besteht der Elektrolyt aus einer wässrigen Lösung einer Säure, in welcher das bei der Entladung der Brennstoffzelle auftretende Wasserstoffchlorid gelöst oder absorbiert werden kann. So kann zum Beispiel eine Lösung von Wasserstoffchloridgas in Wasser eingesetzt werden, wobei diese Lösung bei der Zellentladung konzentrierter wird und die Konzentration bei der Zellenaufladung abnimmt, wie dies noch nachfolgend beschrieben wird.

Falls gewünscht, kann auch anstatt eines Säureelektrolyten ein in Wasser gelöstes, leitfähiges Salz eingesetzt werden. So kann man zum Beispiel ein Chloridsalz, wie zum Beispiel Natriumchlorid, der Säurelösung vorziehen. In vielen Fällen ist es oft leichter, mit Hilfe der Salze die Löslichkeit des Chlors (Cl2) im Elektrolyten durch Ausbildung von Cl3~, Cl5~ zu kontrollieren. Hierdurch ist es möglich, Konzentrationspo-larisationsverluste an der Chlorelektrode auf ein Minimum zu beschränken, wobei gleichzeitig eine übermässige Löslichkeit des Chlors im Elektrolyten vermieden wird. Eine zu grosse Löslichkeit des Chlors im Elektrolyten würde nämlich zu einer Selbstentladung der Zelle durch die direkte chemische Reaktion zwischen gelöstem Cl2 mit Wasserstoff (H2) führen. Die Salze tragen auch zu einer Verbesserung der Leitfähigkeit des Elektrolyten bei, wodurch ohmsche Verluste in der Zelle verringert werden.

An gegenüberliegenden Seiten der Matrix sind Elektroden 4 und 6 aus einem porösen Gasdiffusionsmaterial angeordnet. Diese haben zum Beispiel die Form einer dünnen Platte, hergestellt durch Komprimieren von pulverförmigem Kohlenstoff oder Graphit, oder sie bestehen aus Kohlenstoff- oder Graphitpapier aus einer fasrigen Graphitform, wie zum Beispiel in der US-Patentschrift Nr. 3972735 beschrieben. Dieses Material kann für beide Elektroden eingesetzt werden. Die Chlorelektrode, die Kathode, kann auch aus einem Titangitter oder einem anderen Material bestehen, unter der Bedingung, dass dieses Material die erwünschte Porosität aufweist und fähig ist, eine Katalysatorschicht zu tragen. An der Oberfläche der Wasserstoffelektrode 4, der Anode, ist eine Katalysatorschicht, bevorzugt Platin, auf Russschwarz-Trägermaterial angeordnet. Diese Katalysatorschicht kann wie in der US-Patentschrift Nr. 4028274 beschrieben, ausgebildet und eingesetzt werden.

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Die Chlorelektrode 6, die Kathode, weist ebenfalls eine Katalysatorschicht auf der der Matrix zugewandten Oberfläche auf. Diese Katalysatorschicht besteht vorzugsweise aus Rutheniumoxid, welches so aufgebracht wird, dass eine Gasdiffusionskathode ausgebildet wird. 5

Wie schon oben angedeutet, kann die Kathode 6 anstatt aus Graphit aus einem Titangitter bestehen, auf welchem der Katalysator aufgebracht wird. Der Katalysator wird auf die Trägerschicht der Elektrode aufgebracht. Die Trägerschicht sollte so ausgewählt werden, dass Reaktionsgas durch die io Elektrode diffundieren und in Kontakt mit dem Elektrolyten treten kann. Auch soll die Elektrode so ausgebildet sein, dass ein Auslaufen des Elektrolyten aus der Matrix auf die Gasseite der Elektrode vermieden wird. Die Porosität, d.h. die Durchlässigkeit des Gitters der Trägerschicht muss somit so ausge- 15 bildet werden, dass ein Auslaufen des Elektrolyten vermieden wird und trotzdem eine Gasdiffusion durch die Elektrode ermöglicht wird.

Neben den der Matrix abgewandten Oberflächen der Elektroden befinden sich Gaskammern 12 und 14. Wasserstoff wird unter Druck in die Kammer 12 und Chlorgas unter Druck in die Kammer 14 eingeführt. Die Gase können den Gaskammern in geeigneter Art und Weise zugeführt werden, zum Beispiel aus einem Wasserstoff- oder einem Chlorbehälter. Das Gas wird unter Druck aus den Behältern durch die Leitungen 20 und 22 in die Wasserstoff- beziehungsweise Chlorkammer eingeführt.

In den Leitungen 20 und 22 sind Druckpumpen 24 und 26 vorgesehen, obschon diese bei der Entladung der Zelle nicht benötigt werden. Bei der Aufladung der Zelle dienen diese Pumpen jedoch dazu, die Gase, welche bei der Aufladung an den Elektroden entstehen, aus den Kammern unter Druck in die Behälter zu pumpen.

Mit Vorteil sollte auch ein Behälter 28 für den wässrigen Elektrolyten vorgesehen sein. Dieser Behälter ist über eine Leitung 30 und eine Pumpe 32 mit der Matrix verbunden, so dass Elektrolyt aus der Zelle in den Behälter und aus dem Behälter in die Matrix, in Abhängigkeit der Betriebsart der Zelle, d.h. Aufladung oder Entladung, gepumpt werden kann. Bevorzugt wird der Elektrolyt sowohl bei der Aufladung wie auch bei der Entladung der Zelle im Kreislauf geführt. Da bei der Entladung der Zelle Wärme entsteht, können geeignete Wärmeaustauscher vorgesehen werden, um den Elektrolyten zu kühlen. Heizelemente können auch bei der Entladung der Zelle benötigt werden, um die Gase bei der Expansion während des Eintritts in die Kammern im gasförmigen Zustand zu halten.

Um einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten, sollte ein Wärmeübergang zwischen den Wärmeaustauschern und den Heiz-

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dementen vorgesehen werden, um Wärmeverluste möglichst gering zu halten und somit den Wirkungsgrad der Zelle zu verbessern. So könnte zum Beispiel eine geeignete Wärmeaustauscher-Flüssigkeit zwischen den Wärmeaustauschern für den Elektrolyten und den Heizelementen für die Gase vorgesehen werden.

Bei der Aufladung der Zelle kann es notwendig sein, den Elektrolyten zu erwärmen und die an den Elektroden entstandenen Gase abzukühlen. Auch hier wäre ein Wärmeübergang von den Vorrichtungen zum Kühlen der Gase zu den Vorrichtungen zur Aufwärmung des Elektrolyten von Vorteil. Druckventile 34 und 36 zur Kontrolle des Gasdruckes in den Kammern während der Entladung der Zelle können in die Leitungen 38 und 40, welche die Gaskammern mit den Gasbehältern verbinden, eingebaut werden. Ein ähnliches Druckventil 42 kann auch in die Zufuhrleitung 44, welche vom Behälter 28 zur Matrix führt, eingebaut werden. Diese Vorrichtungen bilden jedoch keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung und benötigen deshalb keine nähere Beschreibung. Die Verwendung solcher Vorrichtungen in bekannten Regenerativbrennstoffzellen ist bekannt.

Während der Aufladung der Zelle findet folgende Reaktion statt:

Anode - 2H+ + 2e~ Kathode - 2C1--+ 2e~

H2

Cl2

2HC1-* H, + Cl2

Während der Entladung der Zelle findet folgende Reak-i tion statt:

Anode - H2- 2H+ + 2e~

Kathode - Cl2 + 2e~-> 2C1-Cl, + H2- 2HC1

Natürlich muss bei der Aufladung oder Wiederaufladung (Regenerierung) der Zelle elektrische Energie mit einer Spannung von etwa 1,36 Volt zugeführt werden. Während der Entladung liefert die Zelle elektrische Energie bei ungefähr glei-1 eher Grundspannung. Obschon in der Figur nur eine einzelne Zelle dargestellt wurde, ist es dem Fachmann doch offensichtlich, dass viele solcher Zellen zusammengebaut werden können, um die erwünschte Spannung für eine wirkungsvolle Verwendung der Zelle zu erzielen. Der Zusammenbau einzelner i Zellen ist bekannt.

Die obenbeschriebene Brennstoffzelle kann relativ einfach hergestellt werden; auch sind die notwendigen Materialien in der benötigten Menge nicht kostspielig, so dass die Investitionskosten pro kW/h annehmbar sind.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Regenerativbrennstoffzelle mit einer Matrix (2), je einer Elektrode (4,6) auf beiden Seiten der Matrix (2), Gaskammern (12, 14) auf den der Matrix (2) abgewandten Seiten der Elektroden, Mitteln zur Zufuhr von Reaktionsgasen in die Gaskammern und einem wässrigen Elektrolyten in der Matrix, gekennzeichnet durch die Reaktionsgase Wasserstoff und Chlor und dadurch, dass der Elektrolyt ein in Wasser gelöstes, leitfähiges Salz oder eine wässrige Lösung von Salzsäure ist, so dass das beim Betrieb der Zelle entstehende Wasserstoffchlorid im Elektrolyten gelöst oder absorbiert wird.

2. Regenerativbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Behälter (16,18) zur Speicherung von Wasserstoff und Chlorgas sowie Druckventile (34, 36) vorgesehen sind, so dass die Gaszufuhr aus den Behältern zur Zelle bei bestimmtem Druck während der Entladung der Zelle gewährleistet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Regenerativbrennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Pumpeinrichtungen (24,26) vorgesehen sind, um die Gase während des Aufladens der Zelle aus der Zelle zu entfernen und in die Gasbehälter zu führen.

4. Regenerativbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Elektrolytbehälter (28) und Mittel (30,32,42,44) zur Zirkulation des Elektrolyten zwischen dem Behälter und der Matrix.

5. Regenerativbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode (4, 6) einen Katalysator (8, 10) auf ihrer der Matrix (2) zugewandten Oberfläche aufweist und dass der Elektrolyt Salzsäure ist.

6. Regenerativbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode (4,6) einen Katalysator (8, 10) auf ihrer der Matrix (2) zugewandten Oberfläche aufweist und dass der Elektrolyt eine wässrige Natriumchloridsalzlösung ist.

7. Regenerativbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffelektrode auf der der Matrix zugewandten Seite mit einem Platinkatalysator und die Chlorelektrode auf der der Matrix zugewandten Seite mit einem Rutheniumoxydkatalysator versehen ist.