DE1018946B

DE1018946B - Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in Gaselementen

Info

Publication number: DE1018946B
Application number: DER18924A
Authority: DE
Inventors: Dr Eduard Justi; Dipl-Phys August Winsel
Original assignee: Ruhrchemie AG; Steinkohlen Elektrizitat AG
Current assignee: Ruhrchemie AG; Steinkohlen Elektrizitat AG
Priority date: 1956-05-18
Filing date: 1956-05-18
Publication date: 1957-11-07
Also published as: US2947797A; BE557504A; FR1170574A; LU35060A1

Description

Für die Erzeugung elektrischer Energie in einem Brenngaselement durch Vereinigung von Sauerstoff bzw. Luft einerseits und Brenngasen wie Wasserstoff, Kohlenmonooxyd usw. andererseits ist die Verwendung von Gas-Diffusions-Elektroden bekannt.

Erst durch die Anwendung katalytisch aktiver Gas-Diffusions-Elektroden wurde es möglich, mit Brenngaselementen schon bei Raumtemperatur ausreichende Stromdichten zu erzeugen.

Werden zum Betrieb der Elektroden Gemische aus aktivierbaren und inerten Gasen, beispielsweise Luft, statt reinen Sauerstoffes verwendet, so reichern sich während des Betriebes die inerten Bestandteile des Gasgemisches in den Poren der Elektrode an. Diese Anreicherung führt zur Verminderung des Partialdruckes der aktivierbaren Bestandteile des Gasgemisches. Dadurch bildet sich ein Gaspolster von inerten Gasen, das die Heranführung des Reäktionsgases erschwert oder unter Umständen ganz verhindert und somit zur »Erstickung« d3r Elektrode führt. ·

Um diesen -»Erstickungseffekt«· zu vermeiden, wurden Gas-Diffusions-Elektroden vorgeschlagen, bei denen der elektrolytische Kontakt zwischen der Substanz, an die die Gasteilchen bei der Ionisation ihre Ladung abgeben, und der metallischen Stromableitung ganz oder teilweise durch metallisch leitende Körner bewirkt wird. Diese Körner umschließen ein aus der Elektrode herausführendes Steigrohr, das durch ein vorzugsweise automatisch zu betätigendes Ventil abgeschlossen ist, aus dem die sich in der Elektrode ansammelnden inerten Gase abgeblasen werden können. Die besonders weiten Poren dieser Elektroden werden durch kontinuierlich hindurchströmendes Frischgas zusätzlich gespült.

Durch die vorliegende Erfindung soll dieser Erstikkungseffekt bei solchen Gas-Diffusions-Elektroden vermieden werden, deren mittlerer Porenradius über dem Elektrodenquerschnitt veränderlich ist.

Bekanntlich werden diese Elektroden so in den Elektrolyt eingebracht, daß die Poren mit dem kleineren Radius T₁ dem Elektrolyt zugewandt sind und die Poren mit dem größeren Radius r₂ ^auf der dem Gas zugewandten Seite der Elektrode liegen. Hat der Elektrolyt in den Poren mit dem Radius T₁ einen kapillaren Druck Pk₁ und in den Poren mit dem Radius r₂ einen solchen von P_K%, so muß der Betriebsdruck P_g der Gas-Diffusions-Elektrode zwischen diesen beiden kapillaren Drücken liegen (Pk₁ > Pg~> Pk₂)- Gegen diesen Betriebsdruck dringt der Elektrolyt im Mittel bis zu einer gewissen Tiefe δ in die Poren der Elektrode ein und verhindert dadurch ein ungenutztes Ausströmen des Gases.

Fig. 1 stellt schematisch und vergrößert Poren dar, deren Radien sich, kontinuierlich größer werdend, über dem Elektrodenquerschnitt verändern, Fig. 2 Poren, deren Radien sich, absatzweise größer werdend, wie z. B.

Verfahren zur Erzeugung elektrischer
Energie in Gaselementen

Anmelder:

Ruhrchemie Aktiengesellschaft,

Oberhausen (RhId.)-Holten,

und Steinkohlen-Elektrizität

Aktiengesellschaft, Essen

Dr. Eduard Justi

und Dipl.-Phys. August Winsel, Braunschweig,
sind als Erfinder genannt worden

bei der beschriebenen Nickelelektrode, verändern. Die Poren der Elektroden bilden sich jedoch bei den meisten Herstellungsverfahren nicht in regelmäßigen, sondern sehr unterschiedlichen Formen aus, wie es in Fig. 3 beispielsweise, schematisch und vergrößert gezeigt ist. In diesen Figuren ist jeweils der Ausschnitt der Elektrodenwandung mit 1, der Elektrolyt mit 2 und der Gasraum mit 3 bezeichnet. Die Maßangabe δ stellt die Eindringtiefe des Elektrolyts in die Poren der Elektrode dar.

Es wurde gefunden, daß die Erzeugung elektrischer Energie aus Gasen mit brennbaren Bestandteilen einerseits und Sauerstoff bzw. Luft und/oder einem Halogen andererseits in Form einer Brennstoffkette und unter Verwendung von Gas-Diffusions-Elektroden, vorzugsweise solchen, deren mittlerer Porendurchmesser über dem Elektrodenquerschnitt veränderlich ist, unter Vermeidung des Erstickungseffektes möglich ist. Nach der Erfindung wird hierbei nach dem Absinken der ständig, vorzugsweise mit einer Normalelektrode, kontrollierten Potentiale der Gas-Diffusions-Elektroden auf einen bestimmten Mindestwert der Gasdruck in den Elektroden von dem Betriebsdruck P_g auf einen Spüldruck P_s erhöht, wodurch die in den Elektroden angesammelten inerten Gase in den Elektrolyt gespült werden, worauf anschließend der Gasdruck in den Elektroden wieder auf den Betriebsdruck P_g gesenkt wird. Während der Spülphase soll also in den Elektroden ein Spüldruck P₅ von solcher Höhe eingestellt werden, daß dadurch der in den Poren mit kleinerem Radius J₁ herrschende Kapillardruck Pk₁ des Elektrolyts überwunden wird.

Durch die Überwindung des Kapillardrucks P_Kl wird die Elektrode vollständig von dem Elektrolyt freige-

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blasen, und die in den Poren der Elektrode angereicherten inerten Gase werden in den Elektrolyt gespült. Das auf die Spülung folgende Ansteigen des Elektrodenpotentials zeigt deutlich, daß dadurch die Erstickung der Elektrode aufgehoben wird.

Hat sich das Potential der Elektrode nach einer gewissen Zeit genügend erholt, so kann die Spülung beendet werden. Dazu wird der Gasdruck in der Elektrode wieder auf den vor der Spülung vorhandenen Wert Pg eingestellt. Nun kann der Elektrolyt unter dem Einfluß der Kapillarkräfte wieder bis zu einer Tiefe δ in die Poren der Elektrode eindringen und dadurch das Hindurchströmen elektrochemisch ungenutzten Gases verhindern.

Nach einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens soll der Spülvorgang in den Elektroden über einen vorzugsweise automatisch arbeitenden Regelmechanismus ausgelöst und von einer Vergleichselektrode gesteuert werden.

Ein Beispiel eines automatisch arbeitenden Regelmechanismus ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Den positiven Pol des Brenngaselementes 1 bildet die Sauerstoffelektrode 2 mit dem Sauerstoffgasraum 3 und den negativen Pol die Brenngaselektrode 4 mit dem Brenngasraum 5. Diese Elektroden begrenzen den Elektrolytraum 6, der den Elektrolyt aufnimmt. Der erforderliche Sauerstoff wird durch die Rohrleitung? in den Sauerstoffgasraum 3 gedrückt. Über den Umstellhahn 8 kann dem Brenngasraum 5 durch die Rohrleitung 9 entweder das Brenngas unter dem Betriebsdruck P_g aus der allgemeinen Brenngasleitung 10 oder das Spülgas aus dem unter Spüldruck P₈. stehenden Vorratsgefäß 11 mittels Rohrleitung 12 zugeführt werden. Der erzeugte Strom wird über die Leitungen 13 und 14 dem Verbraucher zugeführt.

Zwischen der in dem Elektrolytraum 6 angebrachten Vergleichselektrode 15 und der Brenngaselektrode 4 bildet sich eine Testspannung aus, der eine konstante Gleichspannung des Gegenspannungserzeugers 16 entgegengeschaltet ist. Besteht zwischen der Testspannung und der Gegenspannung eine Differenz, so wird diese Differenzspannung in dem hochohmigen Gleichstromverstärker 17 verstärkt und steuert dann das gepolte Relais 18. Dieses Relais 18 schaltet je nach Richtung der verstärkten Differenzspannung den Servomotor 19 in Links- oder Rechtslauf ein, wodurch der Umstellhahn 8 entsprechend betätigt wird.

Sinkt also infolge einer Erstickung der mit dem Betriebsdruck betriebenen Brenngaselektrode die Testspannung unter den Wert der Gegenspannung, so ändert der durch das gepolte Relais fließende Strom infolge der Differenzspannung seine Richtung. Das Relais und dadurch auch die Antriebsspannung des Servomotors werden umgepolt, der Servomotor ändert seine Drehrichtung und bringt den Umstellhahn in die eingezeichnete Stellung, so daß jetzt die Brenngaselektrode unter dem Spüldruck arbeitet. Loiter dem gegenüber dem Betriebsdruck erhöhten Spüldruck wird der Elektrolyt aus den Poren der Brenngaselektrode herausgedrückt, das Inertgaspolster in den Elektrolyt gespült und Frischgas herangeführt. Dadurch wird die Erstickung der Brenngaselektrode beseitigt, und ihr Potential steigt wieder an. Durch das ansteigende Potential wird die Testspannung wieder größer als die Gegenspannung. Das Relais polt sich erneut um und ändert die Drehrichtung des Servomotors. Der Umstellhahn wird wieder in Arbeitsstellung gedreht und dadurch die Brenngaselektrode an die allgemeine, unter dem Betriebsdruck stehende Brenngasleitung angeschlossen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Gasen mit brennbaren Bestandteilen einerseits und Sauerstoff bzw. Luft und/oder einem Halogen andererseits, in Form einer Brennstoffkette und unter Verwendung von Gas-Diffusions-Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Absinken der ständig kontrollierten Potentiale der Gas-Diffusions-Elektroden auf einen bestimmten Mindestwert der Gasdruck in den Elektroden von einem Betriebsdruck P₉ auf einen Spüldruck P_s erhöht wird, wodurch die in den Elektroden angesammelten inerten Gase in den Elektrolyt gespült werden, worauf der Gasdruck in den Elektroden wieder auf den Betriebsdruck P₉ gesenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülvorgang in den Elektroden über einen automatisch arbeitenden Regelmechanismus ausgelöst und von einer Vergleichselektrode gesteuert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen