CH97148A - Verfahren zur Aufspeicherung und Abgabe von elektrischer Energie auf elektrochemischem Wege. - Google Patents
Verfahren zur Aufspeicherung und Abgabe von elektrischer Energie auf elektrochemischem Wege.Info
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Description
Verfahren zur Aufspeicherung und Abgabe von elektrischer Energie auf elektrochemischem Wege. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Aufspeicherung und Abgabe von elektrischer Energie auf elektro chemischem Wege, gemäss welchem aus einer Substanz von geringem Energieinhalt in mindestens einer elektrochemischen Zelle ein lagerbares, chemisches Produkt von hohem Energieinhalt als Speichermaterial erzeugt -wird, welches Produkt mindestens einer chemoelektrischen Zelle als Elektrodenmate- rial nTährend .deren Betrieb zugeführt wird,
in welch letzterer Zelle es unter Abgabe von elektrischer Energie wieder zurückgeht in die Substanz niederen Energieinhaltes, die, ebenfalls während des Betriebes dieser Zelle, aus der letzteren herausgeschafft wird, um später wieder, wie oben gesagt, auf das Pro dukt hohen Energieinhaltes als Speicher material verarbeitet zu werden.
Das Verfahren ermöglicht, elektrische Energie in beliebigen Mengen und beliebig lange aufzuspeichern und sie zu Zeiten des Bedarfes in ununterbrochenem Betriebe ab zugeben unter möglichster Vermeidung von Verlusten an Material. Das Verfahren kann beispielsweise wie folgt ausgeführt -v#Terden: Es wird an einer elektrischen Energieerzeu- gungsstation Natrium erzeugt aus Atznatron;
das Natrium wird aufgestapelt, zum Beispiel in eisernen Flaschexi, und ist in diesem Zu stande transportfähig. Es kann beispiels- R-eise in einen andern Raum, zum Beispiel Lagerraum, gebracht oder auf Eisenbahn wagen versandt werden; in letzterem Falle kann das Mitführen des Natriums auch. zur Erzeugung der elektrischen Energie, die zur Traktion gebraucht wird, dienen, wenn näm lich die Lokomotive zum Beispiel die im Föl- genden beschriebene chemoelektrische Ein richtung besitzt.
Es wird geschmolzenes Natrium als die eine Elektrode durch eine Röhre in eine Zelle eingeführt, die geschmolzenes Itznatron als Elektrolyt enthält und an deren anderer Elektrode ein Sauerstoff abgebender Körper vorhanden ist. Diese elektrolytische Kette wird in einem Stromkreise einen elektrischen Strom erzeugen. Das Natrium ist in dieser chemoelektrischen Zelle negative Elektrode, und es wird dort be-i Stromschluss Natrium- hydroxyd gebildet. An der positiven Elek trode wird sich Natriumoxyd bilden.
Als Sauerstoff abgebender Körper könnte zu die sem Zwecke eine zweite Substanz, zum Bei spiel eine Mischung aus geschmolzenem Ätz- n.atron und Manganoxyden, mitgeführt wer den, welche die positive Elektrode, zum Bei spiel aus Eisen, umspült, so dass bei Strom schluss das Mangan aus einer höheren zu einer tieferen Oxydationsstufe reduziert würde.
Es könnte, wie bekannt, die Wieder oxydation zu Manbanat dadurch bewirkt wer den, dass man in der chemoelektrischen Zelle oder ausserhalb derselben Luft in die mangan- oxy dhaltige Schmelze einblasen würde. Eine Schwierigkeit liegt aber in der Regeneration des Natriums aus der manganhaltigen Schmelze, da derselben eine Reinigung des 1_tznatrons vom Mangahat, zum Beispiel durch einen Kristallisationsprozess, vorher gehen müsste.
Es wird deshalb mit Vorteil als positive Elektrode der elektrochemischen Zelle ein von der Ätznatronschmelze nicht angreifbarer Leiter -gewählt, der durch Be- spülung mit Luft bei genügend hoher Tem peratur eine Oxydschicht erhält und dadurch zu einer Sauerstoffeleldrode wird.
Als sol che Leiter eignen sich beli:anntlich Eisen und Silber. Zweckmässigerweise wird die an der positiven Elektrode eingeblasene Luft mit derjenigen Menge VTasserdampf beladen, wel che hinreicht, um das dort gebildete Natrium- oxyd in Natriumhydroxyd zu verwandeln.
Das Natriumhydroxyd wird dann wieder der _ elektrolytischen Natrium-Erzeugungs- zelle zugeführt, wo Glas Natrium kontinuier- lieh regeneriert wird. Es findet also ein Kreislauf der Materials statt.
Auf der Zeichnung sind mehrere Aus führungsbeispiele solcher Einrichtungen sehe matisch dargestellt.
In Fiu. 1 bedeutet 1 die Zelle, in wel cher Ätznatronschmelze als Elektrolyt ent halten ist, 2 die Röhre, durch welche das als negative Elektrode dienende geschmolzene Natrium eingeführt wird, das, wie bekannt, auf dem Ätznatron schwimmt. Die Wan- dung 3 ist festes Ätznatron. .1 ist die positive Eleldrode, in welche durch die Röhre 5 Luft mit N\'asserdampf eingeblasen wird.
Da mit nicht Luft bezw. Sauerstoff an das auf der Ätznatronschmelze schwimmende Na- trium gelangt und damit die Oxydation in der Zelle selbst genügend rasch vor sich geht. ist das zu oxydierende Metall so gestaltet, dass die der Luft ausgesetzte Oberfläche sehr gross ist und dass das rasche Aufsteigen der Luft verhindert wird (z. B. Späne), wobei für möglichst guten elektrischen Kontakt der Metallschichten untereinander und mit der Klemme zu sorgen ist.
Zum besonderen Schutz gegen den aufsteigenden Luftstrom dienen rinnenartige, nach unten offene, ne ben- und versetzt übereinander angeordnete Körper 6, so dass die Luftableitung durch diese Rinnen seitlich erfolgt; es könnte fer ner ein besonderes Diaphragma, zum Bei spiel aus Magnesia, zwischen dem Natrium und der positiven Elektrode eingeschaltet "in.
Die zugeführte Luft wird zweckmässig durch das abströmende Sauerstoff-Stickstoff- gemisch in einem Gegenstromapparat vor g ewi iirmt. Da sich in der chemoelektrischen Zelle Ätznatron bildet, wird dieses letztere durch Rohr 7 abgelassen., um in besonderen Behältern zur -\Viederverarbeitung auf Na trium aufbewahrt zu werden.
Das abströ mende Ätznatron kann die Wärme zur Er wärmung des zugeführten Natriums, sowie zur Erzeugung des nötigen Wasserdampfes abgeben, was wiederum am besten im<U>Gegen-</U> strom erfolgen wird.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind im Element 8 mehrere Natriumelektroden 9 übereinander in nach unten offenen Kam mern 10, zum Beispiel aus Magnesia, ange ordnet. Der Elektrolyt ist geschmolzenes Ätznatron, das Natrium schwimmt in den Kammern auf dem Atznatron und wird durch Röhren 11 eingeführt.
In möglichst geringem Abstand von den Öffnungen der Kammern ist die positive Silber- oder Eisen elektrode 12 parallel zu der Reihe der Na.- triumkammern an-ebra.cht. Sie besteht aus übereinanderliegenden Blechen, die jalousie- artig angeordnet sind, so dass sie den Luft strom, der eingeblasen wird, um die Oxy dation zu bewirken, gut den Blechen entlang streichen lassen und dem Ätznatron leicht die Zirkulation zwischen den Blechen gestatten, je-cloch die Luft am Zutreten zu den Natrium kammern möglichst hindern.
Solche jalousie- artige Blechreihen können mehrere hinterein ander angeordnet sein. Das im Element er zeugte Natriumhydroxyd -wird, um sauerstoff freies Ätznatron in den Natriumkammern zu haben, hinter den Elektrodenblechen 12, das heisst auf der der negativen Elektrode abgewendeten .Seite, durch die Röhre 13 ab geführt. Mit der Luft, die, wie im vorigen Beispiel, im Gegenstromverfahren erwärmt -werden kann, wird ebenfalls, wie vorhin, Wasserdampf eingeführt, und zwar durch die Röhren 14. Der Austritt der Luft er folgt durch .die Röhre 15.
Das Elektrolyse gefäss kann aus Magnesia bestehen. Statt Luft kann natürlich reiner Sauerstoff zur Oxydation benützt werden, was die Reak tionsgeschwindigkeit; des Silbers bezw. Eisens mit dem Sauerstoff bedeutend erhöhen würde.
Bei dem Beispiel nach Fig. 3 sind die Natriumkammern 16 statt übereinander sämt lich in gleicher Höhe und zwischen den Kammern 17 für die positiven Elektroden angeordnet, wobei die Kammern nach unten zu offen sind, so dass wiederum der Eintritt des Sauerstoffes in die Natriuxnkammern möglichst verhindert ist (die Luft wird durch Röhren 18 zu-, durch Röhren 19 abgeführt) und dennoch der Widerstand des Elektrolyten ein kleiner bleibt.
Das Material für die po sitive Elektrode ist auch hier zur Erzielung grosser Oberflächen in Form von Spänen,Dräh- ten, Blechen, verwendet; es könnte auch aus einem porös gegossenen Block, aufeinander geschichteten Körnern, kleinen Rohrstücken etc. bestehen.
Es können auch besondere Teile angeord net sein, die das Austreten der Luft aus dem Raum um die positive Elektrode ver hindern. Als solche können Diaphragmen. zum: Beispiel aus aufgeschichteter Magnesia. (siehe zum Beispiel Fig. 2, strichpunktiert) oder jalousieartig angeordnete Magnesia platten dienen. Das Material für die positive Elektrode könnte in diesem Falle auch bei einer im übrigen Fig. 2 entsprechenden An- ordnung in Form von Röhrchen,. gelochten Blechen etc. oder sonst in Gestalten, die eine grosse Oberfläche aufweisen, verwendet wer den.
Bei dem Beispiel nach Fig. 4 sind die nach unten offenen, rinnenförmigen Natrium kammern 20 im untern Teil des Elektrolyse gefässes untergebracht und die regenerations- fähige .positivp Elektrode 21 oberhalb der Natriumkammern, wobei die Luft (mit Was serdampf) durch Öffnungen 22 eingeblasen wird und - hochsteigt,
so dass sauerstoff beladener Elektrolyt überhaupt nicht nach unten zur Natriumkammer gelangt und ausserdem im Raum um die positive Elek trode eine höhere Temperatur herrschen kann, ohne dass durch eine Zirkulation Wärme austausch herbeigeführt wird, was die Re generation im Raum der positiven Elektrode begünstigt.
Bei dem Beispiel nach - Fig. 5 ist eine glockenförmige Natriumkammer 28, über -welcher die positive Elektrode 24 liegt, ver wendet. Die Decke der Glocke könnte dabei derart durchlässig gemacht werden, dass sie unter Zurückhaltung des Natriums den di rekten Stromdurchgang ermöglichen -würde, zum Beispiel siebartig.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel sind die rinnenfö rmigen Natriumkammern m 25 aus Eisenblech und mit hohler Wandung (als rinnenförmige Röhre) ausgeführt, wo bei in den Hohlraum der Wandung ein Kühl medium- (z. B. Wasserdampf, Luft, da, der Prozess sich um<B>300'</B> herum abspielt) ein geführt wird, so dass sich an der Berührungs fläche zwischen Eisenblech und Itznatron- Elektrolyt festes Atznatron (26) anlagern wird.
Die Gefässwand 27 kann ebenfalls aus festem Ätznatron bestehen. Die Silber elektrode 28 ist dabei .als urellenförmiges Band aus mehreren übereinanderliegenden gelochten Streifen ausgebildet, wobei zwi- 3 wehen den nach unten offenen Windungen des Bandes die Natriumkammern 25 liegen und an den tiefsten Stellen die zur Oxyda tion erforderliche Luft (oder Sauerstoff) mit Wasserdampf durch Röhren 29 einge führt wird.
Diese Gase können dabei erfor derlichenfalls von höherer Temperatur als die im Gefäss Herrschende sein. Sie steigen zwischen Natriumkammern 25 und Silber elektrode 28 auf und treten nicht zur nega tiven Elektrode 30 hinzu. Dio Kanten der rinuenförmigen Rohre sind nach aussen mit massiven Fortsätzen 31 versehen, die nicht gekühlt werden und daher ein Ansetzen von festem Ätznatron an diesen Kanten verhin dern und zusammen mit der eingeführten heissen Luft den Durchgang zwischen Silber band und Natriumkammer freihalten.
Statt des Natriums können auch andere Alkalimetalle, und zwar sowohl einheitliche, als auch Legierungen solcher, als negative Elektrode und die betreffenden Kydroxyde, beziehungsweise deren Mischungen als zu gehörige Elektrolyten verwendet werden. Beispielsweise kann, wie bei der in Fig. -i dargestellten Einrichtung, am Boden des Elektrolysegefässes 32 flüssiges Blei oder Zinn 33 vorhanden sein, in das von unten durch Düsen 34 oder sonst in feinen Strah- lün Natrium eingespritzt wird,
das sieh an der Oberfläche des Bleies anreichern wird. Es kann dann die Silberkathode 35, ziz der Luft (oder Sauerstoff) zuzuführen ist, ohne weiteres oberhalb der negativen Elektrode angeordnet --erden, ohne dass besondere Vor kehrüngen zu treffen sind, um die spezifisch. schwere Legierung unten zu halten, wie dies bei reinem Natrium nötig ist, so dass auch der Hinzutritt von Luft zur negativen Elek trode ohne weiteres möglichst verhindert wird.
Das vorliegende Verfahren ermöglicht durch die Erzeugung von lagerbaren Pro dukten hohen Energieinhaltes, die sich unter Abgabe von elektrischer Energie zurückver wandeln lassen, die beliebig lange Aufspei cherung von elektrischer Energie, -während die ständige Einführung und hortschaffnüg der umgewandelten Substanzen einen fort laufenden Betrieb der stromabgebenden chemoelektrischen Zelle ergibt, was bei den bis heute bekannten. Verfahren nicht dar Fall ist. Der grosse Vorteil, insbesondere für die elektrische Traktion, ist einleuchtend.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH 1: Verfahren zur Aufspeicherung und Ab gabe von elektrischer Energie auf elektro chemischem Wege, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Substanz von geringem Energie inhalt in mindestens einer elektrochemischen Zelle ein lagerbares chemisches.Produkt von hohem Energieinhalt als Speichermaterial erzeugt wird, welches Produkt mindestens einer cheinoelektrisclien Zelle als Elektroden- material während deren Betrieb zugeführt wird, in velcli letzterer Zelle es unter Ab gabe von elektrischer Energie wieder zurück- t;elit in die Siilrstanz niederen Energieinhal tes, die ebenfalls während des Betriebes die ser Zelle aus der Ictzteren heraiaz;gesclial'ft wird, um später @-ieder, -wie oben gesagt, <B>i</B> auf da, Produkt ho'i@-n Energieinhaltes aIs Speichermaterial verarbeitet zu werden. UNTERANSPRÜCHE 1.Verfahren nach Patentanspruch 1, da durch gekennzeichnet, d < iss das aus den Zellen austrete=nde, niit dem in die Zel len eintretenden cliernichen Produkt in einem Wiirnieaustauseliprozess steht.?. Verfahren nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass der genannte Wärmeaustausch naeli dem Gegenstrom- prinzip erfolgt. 3.Verfahren nach Patentanspruch 1, da- durch gekennzeichnet, dass das dort ge nannte Elektrodeninaterial der chemo- eleldrischen Zelle als Flüssigkeit zuge- fillirt wird. i. Verfahren nach Patentanspruch 1, da- durch gekennzeichnet,class -als Speicher- material Allraliniet" 1l erzeugt v"ird, das <B>,</B> -tls Material der negativen Elektrode der chemoelektrischen Zellen verwendet wird. -erfahren nach Unteransprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenig stens an der negativen Elektrode als Elektrolyt die Hydroxydschmelze des betreffenden Metalles verwendet wird.Verfahren nach Unteranspruch 5, da durch gekennzeichnet, dass auch an der positiven Elektrode als Elektrolyt die betreffende Hydroxydschmelze verwendet wird. '\'cPfahren nach Unteransprueh 4, da durch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode der chemoelektrischen Zelle eine Sauerstoffelektrode ist. Verfahren nach Unteranspruch 7, da durch gekennzeichnet, dass der an der positiven Elektrode venvendete Elektro lyt als Sauerstoffvermittler dient.Verfahren nach Unteranspruch 8, da durch gekennzeichnet, dass in dem an der positiven Elektrode verwendeten Elek trolyt ein Stoff enthalten ist, welcher mehrerer Oxydationsstufen fähig ist, wobei die Regeneration des böheren Oxyds durch Einblasen eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases ausserhalb der Zelle geschieht. Verfahren nach Unteranspruch 8, da durch gekennzeichnet, dass die Regene ration des Sauerstoff tragenden Elektro lyten in den Zellen selbst erfolgt durch Einblasen eines freien Sauerstoff 'ent haltenden Gases.Verfahren nach Unteranspruch 7, da durch gekennzeichnet, -dass als Material der positiven Elektrode ein oxydierbares Material verwendet wird, das solche Oxy dationsstufen besitzt, die sich zur Re duktion durch Alkalimetall-Ionen eignen, wobei die Oxydation durch Einblasen eines freien Sauerstoff enthaltenden Ga ses stattfindet. Verfahren nach Unteranspruch 7, da durch gekennzeichnet, dass in den Raum um die positive Elektrode Wasserdampf eingeführt wird, um das an der positiven Elektrode entstehende Alkalioxyd in Hydroxyd zu verwandeln.PATENTANSPRUCH II: Galvanisches Element zur Ausübung des Verfahrens gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass es so eingerichtet ist, dass dessen energiespendende Elektrode wäh rend des Betriebes fortwährend erneuert wer den kann. UNTERANSPRÜCHE: 13.Galvanisches Element nachPatentanspruch II, gekennzeichnet durch eine flüssige, Alkalimetall enthaltende negative Elek trode und Mittel, um das Material der negativen Elektrode während des Be triebes der Zelle ständig zuzuführen; durch eine oxydierbare positive Elektrode und Mittel zur ständigen Zuführung eines freien Sauerstoff enthaltenden Ga ses zur positiven Elektrode während des Betriebes durch Hydroxydschmelze des Materials. der negativen Elektrode als Elektrolyt, und durch Mittel, um das sich bildende Hydroxyd ständig während des Betriebes abzuführen. 14.Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, mit Mitteln zur ständigen Zufuhr von Wasserdampf zur positiven Elektrode. 15. Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des die negative Elektrode enthaltenden Raumes gegenüber dem die positive Elektrode enthaltenden Raum eine derartige ist, dass das zur positiven Elektrode zugeführte Gas vom Raum um die negative Elektrode ferngehalten wird. 16. Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kammern für die negative Elektrode übereinander angeordnet sind, und die positive Elektrode parallel zu dieser Kammerreihe verläuft. 17.Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere getrennte Kammern für die positiven und die negativen Elektroden nebeneinander angeordnet und nach unten geöffnet sind, wobei die positiven und negativen Elek- troden im obern Teil ihrer Kammern an geordnet sind. 18. Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwi schen positiver und negativer Elektrode ein Diaphragma liegt. 19. Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode jalousieartig ausgebil det ist, um der Flüssigkeit den Durch tritt zu gestatten, dagegen ein Eintreten von Gasblasen in den Raum um die ne gative Elektrode zu verhindern. 20.Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die oxydierbare Elektrode aus einem Stoff im Zustande relativ feiner Zerteilung besteht. \?1. Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das er zeugte Hy droxyd auf der der negativen Elektrode abgewendeten Seite der posi tiven Elektrode abgeführt wird. 22.Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ma terial der negativen Elektrode von ge ringerem spezifischen Gewicht als der Elektrolyt ist und in nach unten offenen Kammern des Elektrolysegefässes im un tern Teile untergebracht ist, in denen es auf dem Elektrolyten schwimmt, und dass -die Sauerstoffelektrode im obern Teil des Gefässes sich befindet, so dass nicht nur das Eintreten von sauerstoffbeladenem l,lel_;troly teil in den Raum um die ne gative Elektrode verhindert ist, sondern im Raum um die positive Elektrode auch eine höhere Temperatur herrschen kann, welche die Regeneration begiinstigt, ohne dass durch Konvektion Wärmeübertra gung stattfindet.?3. Galvanisches Element nach Unteranspruch 13, gekennzeichnet durch eine horizontal- lie.pp#.;ende wellenförmige Sauerstoffelek trode, in deren nach unten konkaven Tei len die nach unten zu offenen Kammern für die Alkalimetallelektrode angeordnet sind, in welchen das Material. dieser letz teren auf dem Elektrolyten schwimmt.L -)4. G"ilvanisclies Element nach Unteranspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern für die Alkalimetallelektrode durch rinnenförmige Eisenrohre gebildet werden, durch deren Inneres ein Kühl medium fliesst, um das Ansetzen von festem Elel-#trolyten aus der Elektrolyt schmelze herbeizuführen.'a. Galvanisches Eleineiit nach Unteranspruch 23, bei welchem ausser einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas auch Was serdampf in den Raum um die positive Elektrode eingeführt wird, dadurch ge kennzeichnet, dass der Eintritt von Gas und Wasserdampf von über der Schmelz temperatur des Elektrolyten stehender Temperatur an den tiefsten Stellen des wellenförmigen Elektrodenmaterials er folgt.<B><U>96.</U></B> Galvanisches Element nach Unteransprü chen 21 und ?5, dadureli gekennzeichnet, dass die rinnenförmigen Elektrodenkam- mern an den Seitenkanten über ihre IHohl- wandung hinausragende, nicht gekühlte metallische Fortsätze besitzen, die den tiefsten Stellen der wellenförmigen Elek trode gegenüberstehen, um dort den Durchgang frei zu halten.<B>-17.</B> Galvanisches Element nach Unteranspruch 1.3, dadurch gekennzeichnet, class die ne gative Elektrode. aus einer geschmolze nen Legierung eines Sehwermetalles mit einem Alkalimetall besteht, zum Zweck, die negative Elektrode ohne besondere Mittel unterhalb der positiven Elektrode halten zu können. ?S. Galvanisches Element nach Unteranspruch 2i,- dadureh gekennzeichnet., dass flüssi ges Alkalimetall in feinen Strahlen von unten in flüs,iges Schwermetall ein gespritzt wird, mit dem es die negative Elektrode bildet.
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