DE1132203B

DE1132203B - Fuel element

Info

Publication number: DE1132203B
Application number: DEU6146A
Authority: DE
Inventors: Lawrence R Alexander
Original assignee: Leesona Corp
Current assignee: Leesona Corp
Priority date: 1958-04-28
Filing date: 1959-04-24
Publication date: 1962-06-28
Also published as: NL113629C; FR1227530A; NL238681A; CH358480A; GB857368A

Description

Die Erfindung betrifft Brennstoffelemente, insbesondere Mittel zur Herstellung und Aufrechterhaltung einer Berührungsfläche zwischen dem flüssigen Elektrolyten des Elements einerseits und dem den Element zugeleiteten Brennstoff und dem Oxydationsmittel für dasselbe andererseits.The invention relates to fuel elements, particularly means for making and maintaining them a contact surface between the liquid electrolyte of the element on the one hand and the Element supplied fuel and the oxidizing agent for the same on the other hand.

Die Erfindung kann an Hand eines Elements von der Art beschrieben werden, bei der poröse Nickeldifliusionselektroden Verwendung finden. Elektroden dieser Art werden im allgemeinen dadurch hergestellt, daß man Nickelpulver so versintert, daß eine etwa 4 mm starke Platte entsteht. Die Elektrode ist so ausgebildet, daß die Porengröße auf der einen Seite etwa 30 Mikron und die Porengröße auf der anderen Seite etwa 16 Mikron beträgt. Zwei Elektroden dieser Art sind in einem Abstand von etwa 1,6 mm angeordnet, und man läßt eine Elektrolytlösung, wie z. B. aus Kaliumhydroxyd oder Lithiumhydroxyd, zwischen ihnen zirkulieren. Die Elektroden sind so angeordnet, daß die Seitenflächen mit der Porengröße von etwa 16 Mikron mit der Elektrolytlösung in Berührung stehen. Auf der anderen Seite einer der Elektroden (Brennstoffelektrode) wird das Brenngas, im allgemeinen Wasserstoff, unter Druck eingeführt. Das Oxydationsmittel, im allgemeinen Sauerstoff, wird unter Druck der anderen Elektrode (Sauerstoffelektrode) zugeführt. Durch jede der beiden Elektroden hindurch wird eine geringe Druckdifferenz aufrechterhalten, die es den Gasen ermöglicht, die großen Poren auf der Gasseite auszufüllen, ohne jedoch in Form von Blasen durch die kleinen Poren auf der Flüssigkeitsseite hindurchzudringen. Das Innere der größeren Poren der Elektrode bildet eine große Oberfläche zur Absorption des Gases. Der Elektrolyt wandert in die kleineren Poren der Elektroden, und es entwickelt sich innerhalb der Elektroden eine Berührungsfläche zwischen den Gasen und dem Elektrolyten selbst. Infolge der porösen Beschaffenheit der Elektrode ist eine sehr große Berührungsfläche vorhanden, an der es leicht zu einer Katalyse kommen kann. Die Berührungsfläche zwischen dem Elektrolyten und den Gasen des Elements muß innerhalb der Elektrode gebildet werden, damit die Reaktionen, die den verwendbaren Strom erzeugen, auftreten können. Ein Element der oben beschriebenen Art ist bekannt und wird deshalb so ausführlich beschrieben, damit die vorliegende Erfindung verständlich wird. Diese bezieht sich auf die Schaffung von Mitteln zur Herstellung und Aufrechterhaltung der oben beschriebenen Berührungsfläche zwischen dem Elektrolyten und den Gasen des Elements innerhalb der Elektroden.The invention can be described in terms of an element of the type in which porous nickel diffusion electrodes Find use. Electrodes of this type are generally made by that nickel powder is sintered in such a way that an approximately 4 mm thick plate is formed. The electrode is designed so that the pore size on one side about 30 microns and the pore size on the other side is about 16 microns. Two electrodes of this type are at a distance of about 1.6 mm arranged, and an electrolyte solution, such as. B. from potassium hydroxide or lithium hydroxide, circulate between them. The electrodes are arranged so that the side surfaces with the Pore size of about 16 microns are in contact with the electrolyte solution. On the other hand one of the electrodes (fuel electrode) is the fuel gas, generally hydrogen, under pressure introduced. The oxidizing agent, generally oxygen, is pressurized by the other electrode (Oxygen electrode) supplied. There is a slight pressure difference through each of the two electrodes maintained, which allows the gases to fill the large pores on the gas side, but without to penetrate in the form of bubbles through the small pores on the liquid side. That Inside the larger pores of the electrode form a large surface for absorption of the gas. Of the Electrolyte migrates into the smaller pores of the electrodes and it develops within the electrodes a contact surface between the gases and the electrolyte itself. Due to its porous nature The electrode has a very large contact area where it can easily be touched Catalysis can come. The contact area between the electrolyte and the gases of the Element must be formed inside the electrode in order for the reactions to take place usable Generate electricity, can occur. An element of the type described above is known and therefore will will be described in detail so that the present invention may be understood. This refers to the Creation of means for establishing and maintaining the interface described above between the electrolyte and the gases of the element within the electrodes.

Anmelder:Applicant:

Universal Winding Company,
Cranston, R. I. (V. St. A.)Universal Winding Company,
Cranston, RI (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. WoMf und H. Bartels,
Patentanwälte, Stuttgart N, Lange Str. 51Representative: Dr.-Ing. W. WoMf and H. Bartels,
Patent attorneys, Stuttgart N, Lange Str. 51

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. April 1958 (Nr. 731406)Claimed priority:
V. St. v. America April 28, 1958 (No. 731406)

Lawrence R. Alexander, New York, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt wordenLawrence R. Alexander, New York, N.Y. (V. St. A.) has been named as the inventor

Eines der Ziele der Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Steuerungsmittels, das sowohl das Brenngas als auch dessen Oxydationsmittel mit gleichem Druck zuführt und automatisch diesen Druck um einen geringen Betrag über demjenigen hält, bei dem der Elektrolyt zugeführt und gehalten wird.One of the objects of the invention is to provide such a control means which is capable of both Fuel gas as well as its oxidizing agent is supplied at the same pressure and automatically this Maintains pressure a small amount above that at which the electrolyte is supplied and maintained will.

Der Wirkungsgrad eines Elements ist abhängig von der Temperatur und dem Druck, mit dem das Element betrieben wird. Manchmal ist es wünschenswert, sowohl den Druck als auch die Temperatur zu ändern, mit denen das Element betrieben wird, und zwar je nach der Art des Verbrauchers, an den es Strom abgibt. Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines einfachen, zuverlässigen Steuerungsmittels für das Element, das die Herstellung und die Aufrechterhaltung einer geringen Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Elektroden in jedem eingestellten Druckbereich ermöglicht, ohne Änderungen im Steuermittel oder umfangreiche Justierungen erforderlich zu machen.The efficiency of an element depends on the temperature and the pressure with which the Element is operated. Sometimes it is desirable to adjust both the pressure and the temperature change with which the element is operated, depending on the type of consumer to which it is served Gives off electricity. It is therefore an object of the invention to provide a simple, reliable control means for the element, the manufacture and the Maintaining a small pressure difference between both sides of the electrodes in each set Pressure range made possible without changes in the control means or extensive adjustments required close.

Weitere Vorteile und Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ins einzelne gehenden Be-Schreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der Erfindung. Es versteht sich, daß das, was in der vorliegenden Beschreibung als Element bezeichnet wird, genauer gesagt eine Anordnung einzelner Elemente zu einer Batterie ist. Jedes einzelne Element der Batterie kann ein Element vom oben beschriebenen Typ oder aber ein Element anderen Typs sein. Die Erfindung ist auf jedes be-Further advantages and objectives of the invention emerge from the following detailed description the embodiments of the invention shown in the drawing. It goes without saying that that which is referred to as an element in the present description, more precisely an arrangement individual elements to a battery. Every single element of the battery can be an element of the the type described above or an element of a different type. The invention is

209 617/96209 617/96

liebige Element oder Batterie anwendbar, in der die einen zentralen Hohlraum aufweisen, in dem ein geHerstellung einer Berührungsfläche zwischen zwei federtes Membranventil angeordnet ist. Dieses Ventil Reagenzien innerhalb eines porösen Materials, das ist allgemein mit 52 bezeichnet. Das Gehäuse ist mit als Katalysator für eine Reaktion wirken kann oder einem Kanal für das gesteuerte Gas versehen, der auch nicht, erforderlich oder erwünscht ist. In der 5 eine Eintrittsöffnung 54 und eine Austrittsöffnung 56 Zeichnung ist eine Batterie schematisch mit nur einem aufweist, wobei die Verbindung zwischen beiden einzigen Element dargestellt, da die Anwendung der durch ein Ventil 58 gesteuert wird. Das Ventil 58 Erfindung die gleiche ist, gleichgültig wie groß die wird von einem Ventilkolben 60 getragen, der seiner-Zahl der Elemente ist, aus denen die Batterie besteht. seits auf einer Membran 62 gelagert ist. Die Membran In der Zeichnung zeigt io umfaßt auch eine Differentialfeder 64, gegen deren Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wirkung das Ventil 58 von seinem Sitz gehoben Elements und seiner Versorgung mit Brenngas und werden kann. Das obere Ende dieser Feder liegt an Oxydationsmittel, wobei alle diese Bauteile in eine einem Zapfen 66 an, der mit dem Oberteil des Ge-Steuerungsanlage gemäß der Erfindung eingeschaltet häuses aus einem Stück gebildet ist und den Boden sind, 15 eines Hohlraums 68 im Gehäuse bildet, in den das Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Steuergas eingeführt wird. Bei der dargestellten AusElements einschließlich seiner Versorgung mit Gasen führungsform der Erfindung gibt die Differentialfeder und Elektrolyt, wobei alles durch eine andere Aus- bei einem Druck von 0,2 at nach, und daher wird das führungsform der Erfindung gesteuert wird, und an der Öffnung 54 mit einem Druck von z. B. etwa Fig. 3 einen senkrechten Querschnitt durch einen ao 46 at eingeführte gesteuerte Gas an der AustrittsÖff-DifferentialdurcMußregler von der Art, wie sie in der nung 56 mit einem Druck von 43,2 at gefördert, in Fig. 1 dargestellten Anlage verwendet werden Beide Differentialdurchflußregler 20 und 26 arbeiten kann. in dieser Weise, so daß die dem Element über die Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Element 10 mit einer Leitungen 21 und 28 zugeführten Gase beide einen Sauerstoffelektrode 12 und einer Sauerstoffelektrode 25 Druck von 43,2 at aufweisen, während im Vergleich 14. Diese Elektroden sind der oben beschriebenen dazu der Elektrolyt über die Leitung 32 mit einem Art mit einer Größe der Porenöffnungen von etwa Druck von 43 at gefördert wird. Man sieht also, daß 30 Mikron auf der Gasseite und etwa 16 Mikron auf der Wasserstoff und der Sauerstoff, unabhängig von der Elektrolytseite. Es versteht sich jedoch, daß die Schwankungen des absoluten Drucks, immer einen Erfindung nicht durch die Konstruktion der Elek- 30 um 0,2 at höheren Druck aufweisen als der Elektrotroden selbst beschränkt, sondern auf jedes Element lyt. Beim Betrieb bietet dies die Möglichkeit, den zuanwendbar ist, bei dem die Herstellung und Aufrecht- geführten Sauerstoff und Wasserstoff auf einen Druck erhaltung einer Berührungsfläche zwischen einem einzustellen, der höher als der maximale Betriebs-Elektrolyten und Gasen innerhalb der Elektroden er- druck liegt, und es strömt so lange nur sehr wenig wünscht ist. Der Brennstoffelektrode 14 wird Wasser- 35 Gas zum Element bei dem geringen Druck von 0,2 at, stoff unter Druck aus einem Behälter 16 zugeführt. bis das Steuergas eingeschaltet wird. Auf diese Weise Dieser wird durch einen Differentialdurchflußregler 20 läßt sich mit einem einzigen Steuerorgan der gleich- und von da durch eine Leitung 21 zur Außenseite der zeitige Eintritt von Sauerstoff und Wasserstoff mit der Elektrode geleitet. Der Sauerstoffelektrode wird richtigen Druckdifferenz erreichen. Außerdem läßt Sauerstoff zugeführt, der unter Druck in einem Be- 40 sich die Druckdifferenz dadurch verringern, daß man halter 22 aufbewahrt und der Elektrode über eine den Elektrolytvorratsbehälter im Verhältnis zum Leitung 24, zu einem Differentialdurchflußregler 26 Element anhebt. Die Anlage als Ganzes sichert das und von da über eine Leitung 28 zugeleitet wird. Der Strömen aller dem Element zugeführten Stoffe in der Elektrolyt für das Element wird aus einem Vorrats- richtigen Richtung und ermöglicht auch eine willbehälter30 über eine Leitung 32 zugeführt. Es ver- 45 kürliche Wahl des Drucks, mit dem die Anlage steht sich, daß man den Elektrolyten durch das arbeiten soll, und zwar unabhängig von der Tempe-Element zirkulieren läßt, und dazu erforderliche ratur und dem Dampfdruck des Elektrolyten.
Mittel sind dem Fachmann bekannt; da sie keinen Nach der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform Teil der vorliegenden Erfindung bilden, werden sie der Erfindung wird der Sauerstoff dem Element aus hier nicht weiter dargestellt oder beschrieben. Mittels 50 dem Behälter 22 über die Leitung 24, den Differeneines in einem Behälter 34 aufbewahrten Steuergases tialdurchflußregler 26 und die Leitung 28 in gleicher wird in den Elektroden eine kleine Druckdifferenz Weise zugeführt, wie dies an Hand der Fig. 1 darvon beispielsweise etwa 0,2 at aufrechterhalten. gestellt worden ist. In ähnlicher Weise wird das Dieses Steuergas kann Stickstoff oder ein anderes ge- Steuergas aus dem Behälter 34 in die Leitung 36 mit eignetes, in bezug auf das System inertes Gas sein. 55 einem Druck von 43 at im Behälter 30 gefördert. Bei Das Steuergas wird aus dem Behälter 34 mit einem dieser Variante wird jedoch das Steuergas auch durch Steuerdruck von beispielsweise etwa 43 at entnommen eine gesonderte Leitung 70 zum Differentialdurchfluß- und über eine Leitung 36 zum Elektrolytvorrats- regler 26 gefördert. Die Differentialfeder im Durchbehälter 30 gefördert. Der Druck von 43 at wird so- flußregier 26 ist so eingestellt, daß der Sauerstoff mit mit auf den Elektrolyten ausgeübt, der dem Element 60 einem Druck von 43,1 at in die Leitung 28 gedrückt über die Leitung 32 zugeführt wird. Das Steuergas wird. Eine Abzweigung 72 von dieser Leitung gibt läßt man auch über Leitungen 38 und 40 auf die diesen Druck an einen Druckausgleicher 74 weiter, Differentialdurchflußregler 20 und 26 wirken. Diese der in die Leitung 18 eingeschaltet ist, die den Differentialdurchflußregler können von dem in Fig. 3 Wasserstoff aus dem Behälter 16 zum Durchflußausder Zeichnung dargestellten herkömmlichen Typ sein. 65 gleicher befördert. Die Aufgabe des Durchflußaus-Wie in Fig. 3 gezeigt, weist der Differentialdurch- gleichers besteht darin, in die Leitung 21 Wasserflußregler ein Gehäuse 50 auf, das aus zwei Schmiede- stoff hineinzulassen, der genau den gleichen Druck stücken besteht, die in zusammengebautem Zustand hat wie der Sauerstoff, der über die Leitung 28 derAny element or battery can be used in which they have a central cavity in which a production of a contact surface between two spring-loaded diaphragm valves is arranged. This valve reagents within a porous material, which is indicated generally at 52. The housing is provided with can act as a catalyst for a reaction or a channel for the controlled gas, which is also not required or desired. In FIG. 5 an inlet opening 54 and an outlet opening 56 drawing, a battery is shown schematically with only one element, the connection between the two being shown, since the application of the is controlled by a valve 58. The valve 58 of the invention is the same no matter how large it is carried by a valve piston 60, which is one of the elements that make up the battery. is mounted on a membrane 62 on the one hand. The diaphragm in the drawing shows io also comprises a differential spring 64, against whose Fig. 1 a schematic representation of an action the valve 58 can be lifted from its seat element and its supply of fuel gas and can be. The upper end of this spring rests on oxidizing agent, all of these components in a pin 66, which is formed in one piece with the upper part of the Ge control system according to the invention and the bottom is formed, 15 of a cavity 68 in the housing , in which Fig. 2 is a schematic representation of a control gas introduced. In the illustrated AusElements including its supply of gases conduction of the invention gives the differential spring and electrolyte, all by a different output at a pressure of 0.2 at, and therefore the conduction of the invention is controlled, and at the opening 54 with a pressure of e.g. 3 shows a vertical cross-section through an ao 46 at introduced controlled gas at the outlet opening differential pressure regulator of the type conveyed in the opening 56 with a pressure of 43.2 at, shown in FIG Both differential flow regulators 20 and 26 can operate. in this way, so that the element 10 with lines 21 and 28 is supplied to the element via FIG Electrodes are the ones described above for this purpose, the electrolyte is conveyed via the line 32 with a type with a size of the pore openings of approximately pressure of 43 at. So you can see that 30 microns on the gas side and about 16 microns on the hydrogen and oxygen, regardless of the electrolyte side. It goes without saying, however, that the fluctuations in the absolute pressure are always limited to an invention not by the construction of the electrodes by 0.2 atm higher than the electrode itself, but rather to each element. During operation, this offers the possibility of being applicable, in which the production and maintenance of oxygen and hydrogen can be adjusted to maintain a pressure of a contact surface between one that is higher than the maximum operating electrolyte and gases within the electrode pressure, and it flows as long as very little is desired. The fuel electrode 14 is supplied with hydrogen gas to the element at the low pressure of 0.2 at, substance under pressure from a container 16. until the control gas is switched on. In this way, this is through a differential flow controller 20 can be passed with a single control element and from there through a line 21 to the outside of the early entry of oxygen and hydrogen with the electrode. The oxygen electrode will reach correct pressure difference. In addition, oxygen can be supplied, which under pressure in a tank 40 can reduce the pressure difference by keeping holder 22 and raising the electrode via an electrolyte reservoir in relation to line 24 to a differential flow regulator 26 element. The system as a whole ensures that and from there it is fed in via a line 28. The flow of all the substances supplied to the element in the electrolyte for the element is supplied from a supply right direction and also enables a container 30 via a line 32. It is possible to choose the pressure at which the system is standing, so that the electrolyte is to work through it, regardless of the temperature, and the temperature and vapor pressure of the electrolyte required for this.
Agents are known to the person skilled in the art; Since they do not form part of the present invention in accordance with the embodiment shown in FIG. 2, they are part of the invention, the oxygen in the element is not further shown or described here. By means of 50 the container 22 via the line 24, the difference of a control gas tialdurchflußgler 26 stored in a container 34 and the line 28 in the same way, a small pressure difference is supplied in the electrodes, as shown in FIG. 1 thereof, for example about 0.2 at maintained. has been made. In a similar manner, the control gas can be nitrogen or another control gas from the container 34 into the line 36 with a suitable gas which is inert with respect to the system. 55 a pressure of 43 at in the container 30 promoted. In the case of the control gas, however, the control gas is also withdrawn from the container 34 with one of these variants by means of a control pressure of, for example, approximately 43 atm. The differential spring is promoted in the through-tank 30. The pressure of 43 atm is regulated in such a way that the oxygen is also exerted on the electrolyte, which is fed to the element 60 at a pressure of 43.1 atm in the line 28 via the line 32. The control gas will. A branch 72 from this line is also allowed to act via lines 38 and 40 on which this pressure is passed on to a pressure equalizer 74, differential flow regulators 20 and 26. Those connected to line 18, the differential flow regulators, may be of the conventional type shown in Figure 3 for hydrogen from container 16 to flow from the drawing. 65 same promoted. As shown in FIG. 3, the differential diaphragm has a housing 50 in the line 21 of the water flow regulator, which can be made of two forged material, which consists of exactly the same pressure pieces as those in the assembled state like the oxygen that is supplied via line 28 of the

zugeleitet wird. Dieser Durchflußausgleicher ist im wesentlichen dasselbe wie der Differentialdurchflußregler in Fig. 3, abgesehen davon, daß die Differentialfeder 64 in Wegfall gekommen ist. Die Leitung 72 mündet in die Öffnung 68 des so abgeänderten Durchflußreglers und die Wasserstoffzuleitung 18 in die Öffnung 54. Infolgedessen hat der aus der Austrittsöffnung 56 des Reglers der Leitung 22 zugeführte Wasserstoff den gleichen Druck wie der Sauerstoff in der Leitung 28. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden daher die gleichen wünschenswerten Ergebnisse erzielt wie in der in Fig. 1 dargestellten Anlage, und zwar mit dem weiteren Vorteil, daß nur ein einziger Differentialdurchflußregler erforderlich ist, und daß ein einziges zwangläufig wirkendes Mittel dazu verwendet wird, um sicherzustellen, daß beide Gase der Zelle mit genau dem gleichen Druck zugeführt werden.is forwarded. This flow equalizer is essentially the same as the differential flow controller in Fig. 3, apart from the fact that the differential spring 64 has been omitted. The administration 72 opens into the opening 68 of the thus modified flow regulator and the hydrogen feed line 18 in the opening 54. As a result, the from the outlet opening 56 of the regulator has the line 22 supplied Hydrogen has the same pressure as the oxygen in line 28. In that shown in FIG Embodiment of the invention, therefore, achieves the same desirable results as in the system shown in Fig. 1, with the further advantage that only a single differential flow controller is required, and that a single positive agent is used to achieve this to ensure that both gases are supplied to the cell at exactly the same pressure.

2020th

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Fuel element with liquid electrolyte, porous electrodes and means, which on the sides of the electrodes at which the gases serving as reactants enter the electrodes, maintain a greater pressure than on the sides adjacent to the electrolyte, characterized in that a means Pressurized control gas and lines (36, 38, 40) are used, which bring the pressure of the control gas to the electrolyte and pressure regulator (20, 26) for at least one reactant to act.

2. Element according to claim 1, characterized in that to the pressures of the two reactants to keep the same to each other, the output line (28) of a controller (26) for one Reactant by means of a line (72) with one in the supply line (18, 21) of the other Reaction partner provided pressure equalizer (74) is connected.

3. Element according to any one of claims 1 and 2, characterized in that at least one Pressure regulator (50) is provided which, in a manner known per se, has a valve body (58) connected membrane (62) having a one of the valve body (58) controlled flow opening having flow space for the controlled reactant from a control room for the controlling gas and on which one on the side acted upon by the control gas in addition a compression spring (64) acts.

Considered publications:
British Patent No. 667 298.

1 sheet of drawings