CH716315A1 - Trennelement zur Trennung eines Kathodenraumes von einem Anodenraum. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trennelement (11) zur Trennung eines Kathodenraumes (33) von einem Anodenraum (31) einer Reaktorzelle (25) umfassend ein Trägerelement (12) und ein auf das Trägerelement aufgebrachtes Trennmaterial. Das Trägerelement (12) ist aus einem keramischen Werkstoff mit als Kanälen ausgeführten Poren aufgebaut. Das Trennmaterial ist auf die Innenoberfläche der Poren aufgebracht, indem das Trennmaterial in die Poren eingebracht ist. Die Erfindung betrifft auch eine Reaktorzelle (25) sowie ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Strom und/oder Wasserstroff.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Trennelement zur Trennung eines Kathodenraumes von einem Anodenraum einer Reaktorzelle gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung von elektrischem Strom gemäss Oberbegriff des Anspruchs 21.

Stand der Technik

[0002] In der DE 10 2012 022029 A1 ist ein Verfahren beschrieben bei dem erzeugter Strom bevorzugt am Ort der Stromgewinnung (Ort A) zur elektrolytischen Erzeugung von Metallen, beispielsweise von Natrium verwendet wird. Der Transport des erzeugten Natriums kann in fester oder flüssiger Form (Flüssigkeitssuspension) erfolgen. Die Herstellung des Metalls erfolgt in standardisierten Containern. Das erzeugte Natrium wird an den Ort eines elektrischen Verbrauchers (Ort B) gebracht. Am Ort B erfolgt mittels eines Energiewandlers eine Wandlung des Metalls (Natrium) in elektrische Energie. Der Energiewandler kann eine Brennstoffzelle sein. Als problematisch stellt sich die Auswahl einer bei der Stromerzeugung notwendigen Membran dar, welche ionenselektiv ist.

Aufgabe der Erfindung

[0003] Aus den Nachteilen des beschriebenen Stands der Technik resultiert die Aufgabe eine Membran zu schaffen, die eine ionenselektive Trennung von Anoden- und Kathodenraum einer Reaktorzelle erlaubt, wobei lediglich die Na+ Ionen die Membran passieren können.

[0004] Ein weiteres Ziel ist es eine Membran vorzuschlagen, welche während des Betriebes der Reaktorzelle möglichst rissfrei bleibt.

Beschreibung

[0005] Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Trennelement zur Trennung eines Kathodenraumes von einem Anodenraum einer Reaktorzelle durch die im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale. Weiterbildungen und/oder vorteilhafte Ausführungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

[0006] Die Erfindung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass das Trägerelement aus einem keramischen Werkstoff mit als Kanälen ausgeführten Poren aufgebaut ist und das Trennmaterial auf die Innenoberfläche der Poren aufgebracht ist, indem das Trennmaterial in die Poren eingebracht ist. Durch mehrfaches Einpressen und Sintern werden die Poren mit Trennmaterial gefüllt. Dadurch lässt sich eine möglichst grosse Oberfläche an Trennmaterial erzeugen und der Durchgang durch die Poren ist nur für bestimmte Ionen möglich. Die Poren besitzen daher einen ionenselektiven Durchgang.

[0007] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Trennmaterial ionenselektiv und insbesondere für Na+ Ionen durchlässig, wohingegen das Trennmaterial insbesondere für flüssiges metallisches Natrium, OH-Ionen und Ionen Komplexe eine Barriere darstellt. Diese Ionenselektivität ist von besonderer Bedeutung für die Funktion einer Reaktorzelle zur Herstellung von elektrischem Strom, denn nur wenn ausschliesslich die für die Stromerzeugung relevanten Kationen das Trennelement passieren können, kann elektrischer Strom bzw. Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode erzeugt werden.

[0008] Die Erfindung zeichnet sich auch bevorzugt dadurch aus, dass das Trennmaterial eine Boranverbindung, insbesondere Na2B10H10, ist bzw. eine Mischung von Boranverbindungen ist. Versuch haben ergeben, dass sich solche Boranverbindungen besonders gut als Trennmaterial eignen, da diese zuverlässig nur Na<+>Ionen das Trennelement passieren lassen, hingegen die übrigen anwesenden Ionen und Ionenkomplexe zurückhalten. Denkbar sind auch andere ionenselektive Trennelemente bzw. Membranstoffe beispielsweise schnelle Natrium-Ionenleiter (sodium super ion conductors, NASICON).

[0009] Als zweckdienlich hat es sich erwiesen, wenn die Kanäle teilweise von einer Oberfläche zu einer anderen Oberfläche des Trägerelements offen sind und teilweise vor einer Oberfläche des Trägerelements enden. Falls durchgehende Kanäle verstopft sind, so lässt sich das Trennelement sehr einfach reaktivieren, indem die Oberflächen abgeschliffen werden. Dadurch werden Kanäle, welche vor der Oberfläche des Trennelements enden, geöffnet. Die geöffneten Kanäle sind dann mit Trennmaterial zu versetzen, bis sie damit gefüllt sind. Diese geöffneten Kanäle sind dann von den Na<+>Ionen passierbar. Durch das Öffnen der Kanalenden lässt sich ein verstopftes Trennelement reaktivieren bzw. wiederaufbereiten.

[0010] Zweckmässigerweise ist das Trennmaterial auf die Innenporenoberfläche aufgesintert. Das Sintern ist ein ausgereifter Vorgang zur raschen Herstellung besonders dauerhafter Formen und Verbindungen in der Keramik.

[0011] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitz das Trägerelement die Gestalt eines Rohres. Der Zylindermantel des Rohres bietet eine besonders grosse Oberfläche zwischen dem Kathodenraum und dem Anodenraum einer Reaktorzelle. Zudem ist ein Rohr innen und aussen durchströmbar, wodurch der Elektrolyt im Kathodenraum und das flüssige Natrium im Anodenraum sehr einfach in Zirkulation gehalten werden kann.

[0012] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Reaktorzelle umfassend einen Kathodenraum mit einer Kathode, einen Anodenraum mit einer Anode und ein Trennelement gemäss der obigen Beschreibung. Das Trennelement erweist sich durch seine ionenselektiven Eigenschaften als geradezu ideal für den Einsatz in einer Reaktorzelle zur Herstellung von elektrischem Strom. Denkbar ist es jedoch auch das Trennelement für andere Einsatzzwecke, beispielsweise in der Medizin oder der Biotechnologie, einzusetzen.

[0013] Zweckmässigerweise ist innerhalb des rohrförmigen Trennelements der Anodenraum vorgesehen und ausserhalb des rohrförmigen Trennelements ist der Kathodenraum vorgesehen. Dadurch kann in der Reaktorzelle durch einen ersten Kreislauf der Anodenraum kontinuierlich betrieben werden und durch einen zweiten Kreislauf kann der Kathodenraum mit einem Elektrolyten kontinuierlich betrieben werden. Durch das Vorsehen des zweiten Kreislaufes lässt sich die Konzentration des Elektrolyten rasch auf einen Sollwert einstellen bzw. ändern.

[0014] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist innerhalb des rohrförmigen Trennelements ein erstes Rohr angeordnet, in welchem flüssiges Natrium an der Innenseite des ersten Rohres aufsteigen kann und an dem oberen offenen Ende des ersten Rohres ist ein Überlauf vorgesehen. Dadurch kann das flüssige Natrium in einem Kreislauf geführt werden. In den Natrium-Kreislauf ist bevorzugt ein heizbarer Tank integriert. Dadurch lässt sich das erstarrte Natrium rasch schmelzen, um den Kreislauf starten zu können.

[0015] Zweckmässigerweise ist das rohrförmige Trennelement innerhalb eines zweiten Rohres angeordnet, wodurch ein Rohrbündel gebildet ist. Das Rohrbündel kann auch als ein Rohrpaket bezeichnet werden, welches eine rasch austauschbare Einheit bildet. Das Rohrbündel ist von einem Anodenkreislauf und einem Kathodenkreislauf durchströmbar.

[0016] Als vorteilhaft erweist es sich, wenn innerhalb des Trennelements der Anodenraum vorgesehen ist und zwischen der Aussenwand des Trennelements und der Innenseite des zweiten Rohres der Kathodenraum vorgesehen ist. Dadurch lassen sich die beiden im letzten Absatz beschriebenen Kreisläufe in dem Rohrbündel realisieren.

[0017] Zweckmässigerweise ist das zweite Rohr zur Vergrösserung der Oberfläche wellenförmig ausgebildet und an seiner Innenseite sind Rippen und Sicken ausgebildet. Die möglichst grosse Oberfläche steigert den Wirkungsgrad einer Reaktorzelle in der das Trennelement verbaut ist. Die Lebensdauer des zweiten Rohres, welches bevorzugt aus einem Metall hergestellt ist, wird durch die vergrösserte Oberfläche der Innenseite verlängert, da die Innenseite weniger schnell mit Elektrolyt verunreinigt wird. Das zweite Rohr lässt sich separat austauschen, wenn dessen verunreinigte Innenseite die Kathodenfunktion beeinträchtigt.

[0018] In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Rohrbündel auf einem Rohrboden angeordnet. Dadurch lassen sich die beiden Kreisläufe durch den Rohrboden beschicken. Ferner lassen sich eine Mehrzahl von Rohrbündeln stabil und abnehmbar auf dem Rohrboden anordnen.

[0019] Die Erfindung zeichnet sich auch bevorzugt dadurch aus, dass der Rohrboden ein doppelter Rohrboden mit einem ersten und zweiten räumlich voneinander getrennten Rohrbodenelement ist, wobei das erste Rohrbodenelement mit dem ersten Rohr fluiddurchströmbar verbunden ist und der zweite Rohrbodenelement mit dem zweiten Rohr fluiddurchströmbar verbunden ist. Der Anodenkreislauf und der Kathodenkreislauf können daher beide ihre Ein- und Ausgänge in dem Rohrboden haben. Dadurch lassen sich die Rohrbündel einfach an dem Rohrboden installieren und von diesem entfernen.

[0020] Als zweckdienlich erweist es sich, wenn das Rohrbündel für Wartungszwecke von dem Rohrboden demontierbar ist. Dadurch kann ein Rohrbündel, welches beispielsweise verstopft ist, rasch gegen ein neues Rohrbündel ausgetauscht werden. Auch können, wie weiter oben beschrieben, Kanäle des Trennelements geöffnet werden und das so reaktivierte Rohrbündel wieder eingebaut werden.

[0021] Damit sich der Anodenkreislauf und der Kathodenkreislauf realisieren lassen, ist das zweite Rohr an seinem oberen Ende von einer ersten Kappe verschlossen, ist an seinem unteren Ende von einer zweiten Kappe verschlossen und das obere Ende des rohrförmigen Trägerelements ist von einer dritten Kappe verschlossen, wobei die Kappen bevorzugt aus Polyetheretherketon (PEEK) hergestellt sind. PEEK ist ein äusserst temperaturbeständiger Kunststoff, welcher in Kappenform die Rohrenden zuverlässig verschliessen kann.

[0022] Zweckmässigerweise ist an der zweiten Kappe ein Durchlass für das erste Rohr vorgesehen. Dadurch lässt sich das zweite Rohr mit dem ersten Rohrbodenelement verbinden und von diesem bei Bedarf lösen.

[0023] Noch ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Reaktorzellen-Block mit einer Mehrzahl von Reaktorzellen gemäss obenstehender Beschreibung, wobei eine Mehrzahl von Reaktorzellen innerhalb eines druckfesten Behälters angeordnet ist. Dadurch lässt sich ein betriebssicherer abgekapselter, heiz- und kühlbarer Reaktorzellen-Block realisieren.

[0024] In einer weiteren bevorzugten ausführungsform der Erfindung ist der zwischen dem druckfesten Behälter und der Mehrzahl von Reaktorzellen gebildete Hohlraum von einem Regel-Fluid zur Temperaturregelung der Reaktorzelle beaufschlagbar. Der Reaktorzellen-Block lässt sich daher zentral mit einem einzigen Fluid temperaturregulieren.

[0025] Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Mehrzahl von Reaktorzellen auf einem elektrisch isolierten Tragboden angeordnet ist, welcher Teil des druckfesten Behälters ist. Dadurch ist der Reaktorzellen-Block hermetisch gegenüber der Umgebung abgekapselt.

[0026] Noch ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischem Strom, bei welchem eine Reaktorzelle gemäss obenstehender Beschreibung betrieben wird, wobei in der Reaktorzelle das elektrochemische Potential freigesetzt wird, indem Metall-Kationen, insbesondere Natrium-Kationen, durch das Trennelement von dem Anodenraum in den Kathodenraum diffundieren und eine wässrige Lauge als Elektrolyt in dem Kathodenraum mit den Metall-Kationen angereichert wird. Zusätzlich zu der wässrigen Lösung können in dem Elektrolyten auch Alkohol und/oder Salze vorhanden sein. Die Reaktorzelle ermöglicht den ionenselektiven Durchgang des Metall-Kations durch das Trennelement. Erst dadurch wird das Verfahren funktionsfähig.

[0027] Als vorteilhaft erweist es sich, wenn bei der elektrochemischen Reaktion in der Reaktorzelle ein elektrischer Gleichstrom und/oder Wasserstoff entsteht, wobei an der Kathode Wasserstoff gebildet wird, während die Konzentration an Natrium-Ionen steigt. Durch eine Druckregelung in dem Kathodenraum lässt sich die elektrochemische Reaktion zusätzlich steuern.

[0028] Das Verfahren lässt sich genau regeln, indem eine erste Flüssigkeit, bevorzugt flüssiges Natrium, welche den Anodenraum durchströmt und eine zweite Flüssigkeit, insbesondere eine wässrige Lauge als Elektrolyt, welche den Kathodenraum durchströmt, in separaten Umläufen prozessgesteuert werden und dadurch ihre Konzentrationen, Drücke, Temperaturen und andere Prozessparameter voneinander getrennt eingestellt werden.

[0029] Der Kreislauf des Verfahrens lässt sich bevorzugt schliessen, indem der mit NaOH-Lauge angereicherte Elektrolyt aus der Reaktorzelle durch Aufkochen wieder wasserfrei gemacht wird und die nach der Kalzinierung wasserfreie Natronlauge in einer weiteren an einem beliebigen Ort positionierten Reaktorzelle aufgegeben wird, wobei unter Anlegung eines Gleichstroms metallisches Natrium erzeugt wird, wodurch das Natrium in einem Kreislauf geführt wird. Das metallische Natrium lässt sich daher an einem Ort herstellen, an dem elektrischer Gleichstrom, beispielsweise durch Solaranlagen, vorhanden ist. Das erstarrte Natrium lässt sich sicher und rasch zu einem Ort transportieren, an welchem elektrischer Strom benötigt wird. Das erstarrte Natrium lässt sich auch besonders einfach zwischenlagern, bis der elektrische Strom benötigt wird.

[0030] Noch ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des oben beschrieben Trennelements, wobei das Trennmaterial mit Ultraschall zu eine vordefinierten Korngrössenverteilung zerkleinert wird, bevor das Trennmaterial in die Poren eingebracht wird. Die Anwendung von Ultraschall ermöglicht, dass ein sauberes Trennmaterial in der benötigten Korngrössenverteilung erhältlich ist. Die mechanische Zerkleinerung, beispielsweise in einer Kugelmühle, führt zwangsläufig zu Verunreinigungen, da sich die mechanischen Zerkleinerungselemente, beispielsweise die Kugeln einer Kugelmühle, während der Zerkleinerung abnutzen. Für die Funktion als Trennmittel dürfen jedoch keine Fremdpartikel in diesem enthalten sein.

[0031] Zweckmässigerweise wird das Trennmaterial nach der Zerkleinerung mit Tensiden versetzt, bevor es in die Poren eingebracht wird. Dadurch wird eine Agglomeration des Trennmittels verhindert.

[0032] In einer besonders bevorzugten ausführungsform der Erfindung wird das Trennmaterial in mehreren Schichten in die Poren eingebracht, bis die Poren mit Trennmaterial gefüllt sind, wodurch die Poren eine ionenselektive Barriere darstellen. Für die ionenselektiven Eigenschaften müssen die Poren mit Trennmaterial gefüllt sein. Ansonsten würden auch nicht erwünschte Ionen das Trennelement passieren.

[0033] Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung: <tb><SEP>Figur 1: eine Schnittdarstellung durch ein Trennelement zur Trennung eines Kathodenraumes von einem Anodenraum einer Reaktorzelle mit einer vergrösserten Ansicht der Poren des Trennelements; <tb><SEP>Figur 2: eine Schnittdarstellung einer Reaktorzelle in welcher ein Trennelement aufgenommen ist; <tb><SEP>Figur 3: eine Draufsicht auf einen Reaktorzellen-Block, welcher drei Reaktorzellen umfasst und <tb><SEP>Figur 4: eine axonometrische Ansicht des Reaktorzellen-Blocks aus Figur 3.

[0034] In den Figuren 1 bis 4 ist ein Trennelement gezeigt, welches gesamthaft mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist. Das Trennelement 11, welches auch als Membran bezeichnet werden kann, besteht aus einem keramischen Material und umfasst ein Trägerelement 12. Bevorzugt besitzt das Trennelement die Form eines Rohres. Das Trennelement 11 besitzt daher eine Aussenwand 13 und eine Innenwand 15. In dem keramischen Material sind Poren 17 vorgesehen, welche als Kanäle ausgebildet sind. Die Poren 17 sind grösstenteils offen und verbinden daher die Aussenwand 13 mit der Innenwand 15. Die Kanäle 17 besitzen daher Eingänge 19 an der Innenwand 13 und Ausgänge 21 an der Aussenwand 13. Teilweise enden die Kanäle 17 auch in dem keramischen Material als blindes Ende 23.

[0035] Damit das Trennelement 11 selektive Trenneigenschaften erhält, sind die Innenoberflächen der Poren 17 des Trägerelements 12 mit einem Trennmaterial beschichtet. Das Trennma terial ist auf die Innenoberfläche der Poren 17 aufgebracht, wodurch die Kanäle mit Trennmaterial ausgekleidet sind. Dazu wird das Trennmaterial in die Poren 17 eingebracht, damit deren Innenoberfläche mit Trennmaterial ausgekleidet wird. Bevorzugt liegt das Trennmaterial als Suspension vor. Es werden mehrere Schichten von Trennmaterial durch mehrfaches Einpressen und Sintern von Trennmaterial aufgetragen bis die Poren 17 mit Trennmaterial geschlossen sind. Diese mit Trennmaterial gefüllten Kanäle 17 sind ionenselektiv durchlässig, insbesondere sind sie ausschliesslich für Na-Ionen passierbar.

[0036] Bevorzugt wird das vorliegende Trennelement 11 dazu eingesetzt, um aus metallischem Natrium in einer Reaktorzelle Strom zu erzeugen. Deshalb muss das Trennmaterial eine Substanz sein, welche für Natrium-Ionen durchlässig ist. Während der in der Reaktorzelle stattfindenden Reaktionen müssen anwesendes flüssiges, metallisches Natrium, OH-Ionen und Ionen-Komplexe hingegen an dem Trennmaterial zurückgehalten werden. Als Trennmaterial, welches diese Anforderungen besonders gut erfüllt, haben sich Boranverbindungen, insbesondere Na2B10H10, bzw. eine Mischung von Boranverbindungen erwiesen. Das Trennmaterial ist auf die Innenoberfläche der Poren 17 mehrfach aufgesintert, damit das eingebrachte Trennmaterial eine feste Verbindung mit der Poreninnenoberfläche bildet.

[0037] Der Aufbau einer Reaktorzelle 25 ist in der Figur 2 gezeigt. Die Reaktorzelle 25 umfasst das oben beschriebene Trennelement 11 in Gestalt eines Rohres. Innerhalb des Trennelements 11 ist ein erstes inneres Rohr 27 angeordnet. Das rohrförmige Trennelement 11 ist innerhalb eines zweiten äusseren Rohres 29 angeordnet. Innerhalb des Trennelements 11 ist der Anodenraum 31 der Reaktorzelle 25 gebildet. Das flüssige Natrium bildet die Anode. Zwischen der Aussenwand 13 und der Innenseite des zweiten Rohres 29 ist der Kathodenraum 33 der Reaktorzelle 25 gebildet. Das zweite Rohr 29 ist zur Vergrösserung der Oberfläche wellenförmig ausgebildet und an seiner Innenseite sind Rippen und Sicken ausgebildet. Die Lebensdauer des zweiten Rohres 29, welches bevorzugt aus einem Metall hergestellt ist, wird durch die vergrösserte Oberfläche seiner Innenseite verlängert, da die Innenseite weniger schnell mit Elektrolyt verunreinigt wird.

[0038] Das ineinander gesteckte Rohrbündel 36 ist auf einem Rohrboden 35 befestigt. Der Rohrboden 35 umfasst ein erstes Rohrbodenelement 37 und ein zweites Rohrbodenelement 39, welche von einem Trennboden 41 voneinander getrennt sind. Das erste Rohr 27 ist mit dem ersten Rohrbodenelement 37 fluiddurchströmbar verbunden. Das zweite Rohr Rohr 29 ist mit dem zweiten Rohrbodenelement 39 fluiddurchströmbar verbunden. An dem ersten Rohr 27 sind in kurzem Abstand zum Rohrboden 35 erste Durchlässe 43 vorgesehen. Das Rohrbündel 36 lässt sich für Wartungszecke von dem Rohrboden 35 abnehmen und mit diesem wieder verbinden. Dadurch kann das Rohrbündel 36 nach einer Reinigung wiederverwendet werden.

[0039] Das zweite Rohr ist an seinem oberen Ende von einer ersten Kappe 45 verschlossen und an seinem unteren Ende von einer zweiten Kappe 47 das rohrförmige Trennelement 11 ist von einer zweiten Kappe 47 verschlossen. Die zweite Kappe 47 besitzt einen zweiten Durchlass 49, aus welchem das erste Rohr 27 ragt. Dadurch lässt sich das untere Ende des ersten Rohres 27 mit dem ersten Rohrbodenelement 37 verbinden. Eine dritte Kappe 51 dient dem Verschluss des oberen Endes des Trägerelements 12. Die Kappen 45,47,51 sind bevorzugt aus Polyetheretherketon (PEEK), da dieser Kunststoff hochtemperaturbeständig und gegenüber vielen Chemikalien beständig ist.

[0040] Das flüssige Natrium tritt durch das erste untere Rohrbodenelement 37 in die Reaktorzelle 25 ein und fliesst von unten in das erste Rohr 27. Das erste Rohr 27 fungiert als Steigrohr und besitzt daher einen Überlauf 34 für das flüssige Natrium. Nachdem das Natrium das obere Ende des ersten Rohres verlassen hat, fliesst es zwischen dem ersten Rohr 27 und der Innenwand 15 nach unten. Das Trennelement 11 ist durch seine ionenselektive Eigenschaft nur für Na<+>-Ionen passierbar, welche in den Kathodenraum 33 zur Stromerzeugung eintreten können. Um einen Umlauf an flüssigem Natrium realisieren zu können, sind die ersten Durchlässe 43 vorgesehen. Die Reaktorzelle 25 wird mit flüssigem Natrium befüllt. Im Kathodenraum 33 der Reaktorzelle 25 befindet sich auch eine wässrige Natronlauge als Elektrolyt. Das flüssige Natrium muss von der Natronlauge ferngehalten werden, damit das elektrische Potential entstehen kann. Das flüssige Natrium durchströmt daher nur den Innenraum des Trennelements 11, welches die Diffusion von Natrium-Ionen in die Natronlauge als Elektrolyten erlaubt, nicht jedoch die Diffusion von metallischem Natrium. Das Trennelement 11 verhindert zudem, dass Wasser aus der Lauge in den Anodenraum 31 eindringt, in welchem sich das Natrium befindet. Die Natrium-Ionen entstehen in dem Trennelement 11 bzw. der Membran und diffundieren durch diese. Die Natrium-Ionen verdrängen die H<+>-Kationen und reagieren an der Kathode, wodurch Wasserstoff entsteht. Die OH- Anionen bilden mit den in den Kathodenraum 33 eingedrungenen Na<+>Kationen NaOH.

[0041] Die durch das Trennelement 11 diffundierenden Na<+>Ionen verdrängen die H<+>Ionen, da Natrium gemäss der Spannungsreihe negativer ist als Wasserstoff. Dadurch wird das Gleichgewicht in obenstehender Reaktion auf die Produktseite verschoben.

[0042] Es entsteht bei der elektrochemischen Reaktion in der Reaktorzelle 25 ein elektrischer Gleichstrom und/oder Wasserstoff. Durch die Wahl der Reaktionsparameter wie Temperatur und Druck lässt sich einstellen, wie viel Gleichstrom und Wasserstoff entsteht. Die elektrochemische Reaktion kann über ein Regel-Fluid gesteuert werden, welches die Reaktorzelle 25 umgibt und weiter unten genauer beschrieben ist. In dem Anodenraum 31 kann das flüssige Natrium innerhalb des Trennelements 11 mit Druck beaufschlagt werden, um die Diffusion der Natrium Ionen zu verbessern. Möglich ist es den Druck in dem Trennelement 25 zu erzeugen, indem oberhalb des Natrium-Spiegels ein Inertgas eingeblasen wird. Eine Umwälzung des Elektrolyten und des Natriums kann jeweils mit einer Umlaufpumpe erfolgen. Der mit Natrium angereicherte Elektrolyt aus der Reaktorzelle 25 wird durch Aufkochen wieder wasserfrei gemacht. Die nach der Kalzinierung wasserfreie Natronlauge wird in einer weiteren Reaktorzelle aufgegeben, wobei unter Anlegung eines bevorzugt aus Sonnenenergie oder Windenergie erzeugten Gleichstroms metallisches Natrium erzeugt wird. Dadurch schliesst sich der Kreislauf. Metallisches transportfähiges Natrium lässt sich an dafür optimalen Standorten erzeugen, beispielsweise direkt an den Standorten der Solar- oder Windturbinenfelder. Durch die sichere und einfache Möglichkeit festes Natrium zu transportieren, kann die Stromerzeugung direkt am Ort des Bedarfes erfolgen.

[0043] In der Figur 4 ist beispielhaft ein Reaktorzellen-Block mit drei Reaktorzellen 25 gezeigt. Die Reaktorzellen 25 sind innerhalb eines druckfesten Behälters angeordnet. Zwischen dem druckfesten Behälter und den drei Reaktorzellen ist ein Hohlraum gebildet. Der Hohlraum wird mit dem oben erwähnten Regel-Fluid zur Temperaturregelung der Reaktorzelle 25 beaufschlagt. Die Durchströmung des Anodenraums 31 mit flüssigem Natrium und die Durchströmung des Kathodenraumes 33 mit Elektrolyten erfolgt in zwei voneinander getrennten Kreisläufen. Dadurch können die Konzentrationen, Drücke, Temperaturen und andere Prozessparameter des Elektrolyten und des flüssigen Natriums getrennt voneinander eingestellt werden. Damit lässt sich der Ablauf der elektrochemischen Reaktion genau regeln. Teil des druckfesten Behälters ist ein isolierter Trageboden 55, auf dem die Reaktorzellen stabil und isoliert voneinander angeordnet sind.

Legende:

[0044] 11 Trennelement 12 Trägerelement 13 Aussenwand 15 Innenwand 17 Poren 19 Eingänge 21 Ausgänge 23 Blindes Ende 25 Reaktorzelle 27 Erstes inneres Rohr 29 Zweites äusseres Rohr 31 Anodenraum 33 Kathodenraum 34 Überlauf 35 Rohrboden 36 Rohrbündel 37 Erstes Rohrbodenelement 39 Zweites Rohrbodenelement 41 Trennboden 43 Erste Durchlässe 45 Erste Kappe 47 Zweite Kappe 49 Zweiter Durchlass 51 Dritte Kappe 55 Trageboden

Claims (27)

1. Trennelement (11) zur Trennung eines Kathodenraumes (33) von einem Anodenraum (31) einer Reaktorzelle (25) umfassend - ein Trägerelement (12) und - ein auf das Trägerelement aufgebrachtes Trennmaterial,

dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (12) aus einem keramischen Werkstoff mit als Kanälen (17) ausgeführten Poren aufgebaut ist und das Trennmaterial auf die Innenoberfläche der Poren aufgebracht ist, indem das Trennmaterial in die Poren eingebracht ist.

2. Trennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial ionenselektiv ist und insbesondere für Na<+>Ionen durchlässig ist, wohingegen das Trennmaterial insbesondere für flüssiges metallisches Natrium, OH- Ionen und Ionen Komplexe eine Barriere darstellt.

3. Trennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial eine Boranverbindung, insbesondere Na2B10H10, ist bzw. eine Mischung von Boranverbindungen ist.

4. Trennelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (17) teilweise von einer Oberfläche zu einer anderen Oberfläche des Trägerelements offen sind und teilweise vor einer Oberfläche des Trägerelements enden.

5. Trennelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial auf die Innenporenoberfläche aufgesintert ist.

6. Trennelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement die Gestalt eines Rohres (12) besitzt,

7. Reaktorzelle (25) umfassend - einen Kathodenraum (33) mit einer Kathode, - einen Anodenraum (31) mit einer Anode und - ein Trennelement (11) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.

8. Reaktorzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des rohrförmigen Trennelements (11) der Anodenraum (31) vorgesehen ist und ausserhalb des rohrförmigen Trennelements (11) der Kathodenraum (33) vorgesehen ist.

9. Reaktorzelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des rohrförmigen Trennelements (11) ein erstes Rohr (27) angeordnet ist, in welchem flüssiges Natrium an der Innenseite des ersten Rohres (27) aufsteigen kann und an dem oberen offenen Ende des ersten Rohres ein Überlauf (34) vorgesehen ist.

10. Reaktorzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Trennelement (11) innerhalb eines zweiten Rohres (29) angeordnet ist, wodurch ein Rohrbündel (36) gebildet ist.

11. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Trennelements (11) der Anodenraum (31) vorgesehen ist und zwischen der Aussenwand des Trennelements (11) und der Innenseite des zweiten Rohres (29) der Kathodenraum (33) vorgesehen ist.

12. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (29) zur Vergrösserung der Oberfläche wellenförmig ausgebildet ist und an seiner Innenseite Rippen und Sicken ausgebildet sind.

13. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (36) auf einem Rohrboden (35) angeordnet ist.

14. Reaktorzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrboden ein doppelter Rohrboden (35) mit einem ersten und zweiten räumlich voneinander getrennten Rohrbodenelement (37,39) ist, wobei das erste Rohrbodenelement (37) mit dem ersten Rohr (27) fluiddurchströmbar verbunden ist und der zweite Rohrbodenelement (39) mit dem zweiten Rohr (29) fluiddurchströmbar verbunden ist.

15. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (36) für Wartungszwecke von dem Rohrboden (35) demontierbar ist.

16. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (29) an seinem oberen Ende von einer ersten Kappe (45) verschlossen ist, an seinem unteren Ende von einer zweiten Kappe (47) verschlossen ist und das obere Ende des rohrförmigen Trägerelements (13) von einer dritten Kappe verschlossen ist, wobei die Kappen bevorzugt aus Polyetheretherketon hergestellt sind.

17. Reaktorzelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Kappe (47) ein zweiter Durchlass (49) für das erste Rohr (27) vorgesehen ist.

18. Reaktorzellen-Block mit einer Mehrzahl von Reaktorzellen (25) nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Reaktorzellen (25) innerhalb eines druckfesten Behälters angeordnet ist.

19. Reaktorzellen-Block nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem druckfesten Behälter und der Mehrzahl von Reaktorzellen (25) gebildete Hohlraum von einem Regel-Fluid zur Temperaturregelung der Reaktorzelle beaufschlagbar ist.

20. Reaktorzellen-Block nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Reaktorzellen (25) auf einem elektrisch isolierten Tragboden (55) angeordnet ist, welcher Teil des druckfesten Behälters ist.

21. Verfahren zur Herstellung von elektrischem Strom, bei welchem eine Reaktorzelle (25) gemäss einem der Ansprüche 7 bis 17 betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktorzelle (25) das elektrochemische Potential freigesetzt wird, indem Metall-Kationen, insbesondere Natrium-Kationen, durch das Trennelement (11) von dem Anodenraum (31) in den Kathodenraum (33) diffundieren und eine wässrige Lauge als Elektrolyt in dem Kathodenraum (33) mit den Metall-Kationen angereichert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrochemischen Reaktion in der Reaktorzelle (25) ein elektrischer Gleichstrom und/oder Wasserstoff entsteht, wobei an der Kathode Wasserstoff gebildet wird, während die Konzentration an Natrium-Ionen steigt.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Flüssigkeit, bevorzugt flüssiges Natrium, welche den Anodenraum (31) durchströmt und eine zweite Flüssigkeit, insbesondere eine wässrige Lauge als Elektrolyt, welche den Kathodenraum (33) durchströmt, in separaten Umläufen prozessgesteuert werden und dadurch ihre Konzentrationen, Drücke, Temperaturen und andere Prozessparameter voneinander getrennt eingestellt werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Natrium angereicherte Elektrolyt aus der Reaktorzelle (25) durch Aufkochen wieder wasserfrei gemacht wird und die nach der Kalzinierung wasserfreie Natronlauge in einer weiteren an einem beliebigen Ort positionierten Reaktorzelle aufgegeben wird, wobei unter Anlegung eines Gleichstroms metallisches Natrium erzeugt wird, wodurch das Natrium in einem Kreislauf geführt wird.

25. Verfahren zur Herstellung eines Trennelements gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial mit Ultraschall zu einer vordefinierten Korngrössenverteilung zerkleinert wird, bevor das Trennmaterial in die Poren (17) eingebracht wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial nach der Zerkleinerung mit Tensiden versetzt wird, bevor es in die Poren (17) eingebracht wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial in mehreren Schichten in die Poren (17) eingebracht wird, bis die Poren (17) mit Trennmaterial gefüllt sind, wodurch die Poren (17) eine ionenselektive Barriere darstellen.