DE1051350B

DE1051350B - Brennstoff-Element

Info

Publication number: DE1051350B
Application number: DEN14464A
Authority: DE
Inventors: Hubert Harold Chambers; Anthony Desmond Shand Tantram
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1956-12-17
Filing date: 1957-12-17
Publication date: 1959-02-26
Also published as: GB812091A; US3099587A; FR1193714A; CH356173A

Description

kl. 21b 14/01

INTERNAT. KL. H 01 Hl

PATENTAMT

HO1M »36

N 14464 IVa/21b

ANMELDETAG: 17. DEZEMBER 1957

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 2 6. FEBRUAR 1959

Es ist wünschenswert, die Brennstoff-Elemente zur elektrochemischen Erzeugung von Elektrizität bei möglichst niedriger Temperatur zu betreiben. Da jedoch die meisten kohlenstoffhaltigen Brennstoffe bei gewöhnlicher Temperatur verhältnismäßig schwer in Reaktion treten, ist es praktisch notwendig, bei Temperaturen oberhalb von etwa 500° C zu arbeiten. Bei solchen Temperaturen kann man keine wäßrigen Elektrolyten verwenden, und man hat deshalb feste oder geschmolzene Carbonate, insbesondere Alkalicarbonate, vorgeschlagen. Diese Salze haben verhältnismäßig niedrige Schmelzpunkte und zeigen sowohl im geschmolzenen als im festen Zustand oberhalb von etwa 500° C eine gute Ionenleitfähigkeit. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Verwendung eines Car1>onatelektrolyten auf folgende Weise entstehende nachteilige Wirkungen mit sich bringt:

Wenn man einen Car1)onatelektrolyten verwendet, wird der Sauerstoff durch den Elektrolyten in Form von Carbonationen transportiert, die sich unter Bildung von Sauerstoff und Kohlendioxyd an der Brennstoffelektrode entladen. Der Sauerstoff oxydiert den Brennstoff, und das Kohlendioxyd wird als Abfall gemeinsam miit den Verbrennungsprodukten abgeleitet. Für jedes an der Brennstoffelektrode entladene Carbonation bildet sich an der Sauerstoffelektrode ein Sauerstoffion und verbindet sich mit einem Metallion unter Bildung des Metalloxyds. Auf diese Weise wird in dem Maß, in dem das Element weiter Strom liefert, der Elektrolyt langsam vom Carbonat in Oxyd übergeführt, und allmählich hört wegen des ansteigenden inneren Widerstandes das Element auf zu funktionieren. Dieser Schwierigkeit kann man begegnen, wenn das der Sauerstoffelektrodc zugeführte Gas so viel Kohlendioxyd enthält, daß sich an Stelle von Sauerstoffionen Carbonationen bilden. Der hauptsächliche Nachteil der Carbonatelektrolyten besteht darin, daß man gezwungen ist, an der Sauerstoffelektrode Kohlendioxyd wie auch Sauerstoff zuzuführen. Eine ähnliche Einwendung läßt sich bei jedem Elektrolyten machen, der Sauerstoff in Gestalt von sauerstoffhaltigen Ionen transportiert, da immer ein Mittel zur Regenerierung des sauerstoffhaltigen Ions zugeführt werden muß.

Es hat sich nun herausgestellt, daß man diese Nachteile umgehen kann, indem man als Elektrolyt ein schmelzbares Gemisch verwendet, das ein Metalloxyd enthält und in geschmolzenem Zustand Sauerstoffionen aufweist, die vorzugsweise an der Brennstoffelektrode entladen werden.

Erfindungsgemäß besteht der Elektrolyt eines Brennstoff-Elements aus einem schmelzbaren Metallfluorid oder einem Gemisch von Fluoriden und mindestens einem Metalloxyd, das sich in dem ge-Brennstoff-Element

Anmelder:

National Research Development
Corporation, London

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls

und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,

Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 17. Dezember 1956

Hubert Harold Chambers, New Maiden, Surrey,

und Anthony Desmond Shand Tantram,

Dorking, Surrey (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

schmolzenen Fluorid oder dem Gemisch von Fluoriden lösen und Sauerstoffionen bilden kann.

Als Oxyde kann man besonders vorteilhaft Magnesiumoxyd, Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd, vorzugsweise Magnesiumoxyd, verwenden. Ebenfalls kann man die Oxyde von Calcium, Strontium oder Barium verwenden.

Erfindungsgemäß vorteilhafterweise zu verwendende Fluoride sind die Alkalifluoride mit oder ohne das Fluorid des Metalls, dessen Oxyd in Lösung vorliegt.

Vorzugsweise verwendet man ein eutektisches oder nahezu eutektisches Gemisch von Fluoriden, da die Schmelzpunkte einzelner Fluoride oder nicht eutektischer Gemische im allgemeinen höher liegen, als es für den Betrieb des Elements notwendig ist.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert. Die Fluoridschmelze kann aus einem der folgenden eutektischen Gemische bestehen:

45	Mol prozent	Schmelz punkt ⁰C
a) Natriumfluorid Kaliumfluorid Lithiumfluorid 50 b) Lithiumfluorid Magnesiumfluorid c) Natriumfluorid Kaliumfluorid	11,5 42,0 46,5 53 47 40 60	1 454 j 718 j 710

Lagerexemplar

S09 767/116

d) Lithiumfluorid . .,
Natriumfluorid .

e) Lithiumfluorid . .,
Kaliumfluorid . .,

f) Natriumfluorid ...
Lithiumfluorid . .,
Rubidiumfluorid ,

g) Magncsiumfluorid
Natriumfluorid .
Kaliumfluorid ..,

h) Magnesiumfluorid
Natriumfluorid .
Lithiumfluorid ..,

MoI-prozent

61

39

50 50

6,5

46,5 47,0

6,5

34,5 59,0

10

43 47

Schmelzpunkt ⁰C

652

492

426

685

630

Es folgen Beispiele für vollständige Elektrolyten

1. Eine Lösung von 2,5 Gewichtsprozent Magnesium oxyd in dem Fluorideutektikum a) der obenstehenden Tabelle;

2. eine Lösung von 10 Gewichtsprozent Magnesium oxyd in dem Fluorideutektikum b) der oben stehenden Tabelle;

3. Magnesiumoxyd 10 Molprozent

Natriumfluorid 36 Molprozent

Kaliumfluorid 54 Molprozent

4. Alumirtiumoxyd 3 Gewichtsprozent

Lithiumfluorid 16 Gewichtsprozent

Natriumfluorid 38 Gewichtsprozent

Aluminiumfluorid 43 Gewichtsprozent

Elektrolyten gemäß der Erfindung kann man mit jeder Elektrode, die sich auch sonst für Brennstoff-Elemente eignet und nicht durch die Oxyd-Fluorid-Schmelze angegriffen wird, verwenden. Beispielsweise kann man die in dem Patent 1 023 099 beschriebenen versilberten Zinkoxydelektroden verwenden. Derartig hergestellte Brennstoff-Elemente können erfolgreich mit Luft oder Sauerstoff bei einer Temperatur gerade oberhalb des Schmelzpunktes des Elektrolyten betrieben werden, und dieser zeigt so gut wie keine Verschlechterung, wie sie z. B. bei Carbonat- und ähnlichen Elektrolyten auftritt, bei denen kein Gas zur Ionenregeneration mit der Luft oder -dem Sauerstoff zugeführt wird.

Beispielsweise wurden bei einem Brennstoff-Element gemäß der Erfindung zwei versilberte Zinkoxydelektroden gemäß dem Patent 1 023 099 in den im Beispiel 1 beschriebenen Elektrolyten eingetaucht Dem so gebildeten Element wurden Wasserstoff und atmosphärische Luft, d. h. im wesentlichen kahlendioxydfreie Luft, zugeführt, und es wies bei 580° C im offenen Stromkreis eine Spannung von 1,15 Volt auf. Die Beziehung von Spannung zu Stromdichte war bis über 97 mA/cm² linear, und bei maximaler Leistung betrug die Spannung 0,575 Volt und die Stromdichte mA/cm². Während längerer Laufzeiten verschlechterte sich der Elektrolyt nicht.

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoff-Element, dadurch gekennzeichnet,

daß der Elektrolyt aus einem Metallfluorid oder einem Gemisch von Fluoriden, das bei normaler Betriebstemperatur der Zelle schmelzbar ist, und mindestens einem Metalloxyd, das sich in dem _ 25 Fluorid oder dem Gemisch von Fluoriden in geschmolzenem Zustand löst und Sauerstoffionen bildet, besteht.

2. Brennstoff-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein eutektisches oder nahezu eutektisches Gemisch von Metallfluoriden verwendet.

3. Brennstoff-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Fluoride ein Alkalifluorid ist.

4. Brennstoff-Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz außerdem das Fluorid des Metalls enthält, dessen Oxyd in dem Elektrolyten enthalten ist.

5. Brennstoff-Element nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxyd Magnesiumoxyd ist.

6. Brennstoff-Element nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxyd Aluminiumoder Berylliumoxyd ist.