DE1156458B

DE1156458B - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1156458B
Application number: DEE20371A
Authority: DE
Inventors: Samuel Eidensohn
Original assignee: Electric Storage Battery Co
Current assignee: Exide Technologies LLC
Priority date: 1959-12-31
Filing date: 1960-12-29
Publication date: 1963-10-31
Also published as: GB898427A; ES263662A1; US3057946A; UST863144I4

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Brennstoffelementen für die direkte Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Brennstoffelement, in welchem der Brennstoff in einem Element erzeugt wird, wodurch zusätzliche elektrische Energie erzielt wird.

Ein Brennstoffelement kann als ein Primärelement angesehen werden, bei dem die elektrochemisch wirksamen Materialien laufend ergänzt werden. Ähnlich wie ein Primärelement besteht ein Brennstoffelement aus einer negativen Elektrode, an welcher Oxydation stattfindet, aus einem Elektrolyten und aus einer positiven Elektrode, an welcher eine oxydierende Substanz verbraucht wird. Die am meisten verwendete oxydierende Substanz für Brennstoffelemente ist molekularer Sauerstoff entweder in reiner Form oder in Form von Luft. Der üblicherweise verwendete Brennstoff ist Wasserstoff, jedoch sind auch andere Gase, wie beispielsweise Kohlenmonoxyd, als Brennstoff benutzt worden, jedoch erfordern viele von diesen hohe Betriebtemperaturen und Elektrolyten aus geschmolzenen Salzen. Eine schwerwiegende Begrenzung sowohl des Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffelementes als auch des Kohlenmonoxyd-Sauerstoff-Brennstoffelementes ist deren relativ niedrige Ausgangsspannung, die im allgemeinen unter 1 V liegt.

Es ist erkannt worden, daß ein höheres Potential des Elementes erzielt werden kann durch die Verwendung eines aktiveren Brennstoffes. Für diesen Zweck sind Natrium und andere hochaktive alkalische Metalle vorgeschlagen worden. So ermöglicht die theoretische Ausgangsspannung des Paares Natrium—Sauerstoff ein Elementenpotential von etwa 2,8 V mit einer wäßrigen Lösung von Natriumhydroxyd als Elektrolyt. Ein solches Brennstoffelement ist jedoch nicht praktisch, weil das Natrium rasch mit dem Wasser im Elektrolyten reagiert und Wasserstoff in Freiheit setzt.

Ein stabiles Brennstoffelement, in welchem Natrium als Brennstoff benutzt wird, kann erhalten werden, wenn das Natrium in Form eines Amalgams verwendet wird. Für diesen Zweck hat sich ein Amalgam, das eine Natriumkonzentration von etwa 0,2 Gewichtsprozent besitzt, als befriedigend ergeben, und zwar in einem Element mit einem Elektrolyten, der aus einer 4O°/oigen Lösung von Natriumhydroxyd besteht. Jedoch hat ein solches Element nur ein Potential von 1,95 V, da 0,845 V bei der Amalgamierung des Natriums verlorengehen. In einem solchen Brennstoffelement ist das Amalgam eine Brennstoffelement

Anmelder:

The Electric Storage Battery Company,
Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Schaefer, Patentanwalt,
Hamburg 1, Lilienstr. 36

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Dezember 1959 (Nr. 863 144)

Samuel Eidensohn, Riverton, N.J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

*

Flüssigkeit und wird in das Element durch einen neutralen Leiter eingeführt. Bei mäßigen Temperaturen sollte der Natriumgehalt des Amalgams 0,5 'Vo nicht übersteigen. So kann ein Brennstoffelement höherer Spannung erzielt werden durch Verwendung eines hochaktiven alkalischen Metalls wie Natrium als Brennstoff. Jedoch sogar bei dem beschriebenen Element ist es unmöglich, die theoretische Spannung des Natrium-Sauerstoff-Elementes zu erzielen wegen des als Wärme auftretenden Energieverlustes bei der Amalgamierung des Natriums. Ferner ist die Leistung pro Gewichtseinheit eines solchen Systems niedrig infolge der Einrichtung, die zur Herstellung des Amalgams erforderlich ist.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Brennstoffelement zu schaffen, in welchem die volle Spannung des Elementes Natrium—Sauerstoff erreicht werden kann.

Beim Element nach der Erfindung wird außerdem das benötigte Amalgam für den Betrieb eines Sauerstoff-Natriumamalgam-Brennstoffelementes, welches einen wäßrigen Elektrolyten benutzt, automatisch mit

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der geforderten Geschwindigkeit zur Verfügung ge- unterhalb 100° C, hat sich gezeigt, daß eine Lösung

stellt. von Natriumjodid in Äthylamin einen geeigneten

Das Brennstoffelement nach der Erfindung zeichnet Elektrolyten bildet.

sich ferner durch eine hohe Ausgangsspannung und Während des Betriebes wirkt der wasserfreie Elek-

durch eine hohe Leistung in Energieeinheiten aus, 5 trolyt als ein ionischer Leiter und tritt nicht in die

die pro Gewichtseinheit verfügbar ist. Reaktionen der Elektroden ein, die die folgenden

Gemäß der Erfindung besteht ein Brennstoff- sind:

element aus der Kombination eines eine wäßrige _{üye Elektrode:} Na ^ Na+ + e...

Natnumhydroxydlosung als Elektrolyten enthalten- . .

den Natriumamalgam-Sauerstoff-Brennstoffelementes ₁₀ P°^sltlve Elektrode: e + *Hg + Na+ - Na(Hg),

und eines Natrium-Natriumamalgam-Elementes, Diese Reaktionen erzeugen ein Potential von

welches eine Natrium- und eine Quecksilberelektrode 0,845 V. Als Ergebnis dieser Reaktionen schlägt

und einen wasserfreien Elektrolyten aufweist, wobei sich Natrium, das im Elektrolyten in Lösung geht,

die beiden Elemente elektrisch in Serie geschaltet in Quecksilber nieder und bildet ein Amalgam,

sind. 15 welches als Brennstoff für das Brennstoffelement 2

Durch die Serienschaltung der beiden Elemente i_n der nachfolgend beschriebenen Weise benutzt

wird eine gemeinsame Ausgangsspannung von 2,8 V werden kann. Es kann zwar das erzeugte Amalgam,

erzielt und das System ist so ausgebildet, daß die das in dem Natrium-Natriumamalgam-Element 1 er-

erste Stufe Natriumamalgam in einer Geschwindig- zeugt wird, in einem geeigneten Behälter gesammelt

keit erzeugt, mit der es in der zweiten Stufe ver- 20 werden, jedoch empfiehlt es sich, es direkt in das

braucht wird. Brennstoffelement 2 zu liefern, wobei die beiden

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich Elemente elektrisch in Serie geschaltet sind,

aus der nachfolgenden Beschreibung des in der Das Natriumamalgam-Sauerstoff-Brennstoffele-

Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. ment 2 besitzt eine Sauerstoffelektrode 15, eine nega-

In der Zeichnung ist mit 1 ein Natrium-Natrium- 25 tive Elektrode 16 und einen wäßrigen Elektrolyten amalgam-Element bezeichnet, und 2 ist ein Natrium- 17. Wie in der Zeichnung gezeigt wird, können diese amalgam-Saueistoff-Brennstoffelement. Die EIe- Komponenten in einem geeigneten Behälter 18 angemente 1 und 2 bilden das zweistufige System der ordnet sein. Die Sauerstoffelektrode 15 kann rohr-Erfindung. Das Element 1 besitzt eine Natrium- förmig sein und aus wasserbeständigem, porigem elektrode 3, einen wasserfreien Elektrolyten 4 und 30 Graphit bestehen oder kann aus einem gesinterten eine Quecksilberelektrode 5. Wie dargestellt, können Körper aus einem geeigneten Metall, wie beispielsdiese Elektroden in einem geeigneten Behälter ange- weise Silber, bestehen. Der Elektrolyt 17 ist vorzugsordnet sein, der einen oberen Teil 6 besitzt in Kon- weise eine 40%ige Lösung von Natriumhydroxyd in takt mit der Natriumelektrode 3 und dem Elektro- Wasser. Da das als Brennstoff verwendete Natriumlyten 4 und einen Bodenteil 7 in Kontakt mit der 35 amalgam eine Flüssigkeit ist, ist ein geeigneter Auf-Quecksilberelektrode und dem Elektrolyten 4. Der bau vorgesehen, in welchem das Natriumamalgam obere Teil 6 und der Bodenteil 7 können gegen- über einen neutralen Leiter geleitet wird. Zu diesem einander isoliert sein durch einen Abstandsring 8. Zweck gelangt das Amalgam in das Brennstoff-Die Ausgangsklemmen 9 und 11, die mit dem oberen element 2 mittels der Leitung 13 in einen geeigneten Teil 6 bzw. dem Bodenteil 7 verbunden sind, führen 40 Entladetrichter, der es gestattet, daß kleine Tröpfzu einem äußeren Stromkreis. Es kann metallisches chen des Amalgams abwärts fließen über die Fläche Natrium in den oberen Teil 6 in Form von Klumpen einer metallischen Platte 21 aus Stahlblech oder eingeführt werden, jedoch wird es vorzugsweise in einem anderen gegenüber der Reaktion des Elementes den Raum 6 kontinuierlich eingeführt mittels einer neutralen Metall. Die Amalgamtröpfchen, die über Strangpresse. Zu diesem Zweck ist eine Leitung 12, 45 die Platte 21 fließen, werden in einem Trichter am die mit dem oberen Teil 6 in Verbindung steht, unteren Ende der Platte 21 gesammelt, der mit der vorgesehen. für den Umlauf des Amalgams bestimmten Leitung

Wie vorstehend beschrieben wurde, ist das verbunden ist. In der Leitung 14 ist eine Pumpe 23 Natrium-Natriumamalgam-Element, welches die erste vorgesehen, welche das Amalgam zum Natrium-Stufe des Systems nach der Erfindung bildet und eine 50 Natriumamalgam-Element 1 zurückbefördert. Auselektrische Ausgangsspannung liefern kann, geeignet, gangsklemmen 24 und 25, die mit der Stahlplatte 21 das Natriumamalgam zu erzeugen, das in dem bzw. der Sauerstoffelektrode 15 verbunden sind, Natriumamalgam-Sauerstoff-Brennstoffelement 2 be- können an den äußeren Stromkreis angeschlossen nutzt wird, welches die zweite Stufe des Systems nach werden.

der Erfindung bildet. Zu diesem Zweck sind eine 55 Beim Betrieb des Brennstoffelementes 2 nimmt

Amalgamabführfeitung 13 und eine für den Umlauf das Quecksilber nicht teil an der Reaktion und wirkt

des erschöpften Amalgams bestimmte Leitung 14 einfach als ein Träger und Moderator für das

vorgesehen, welche den Bodenteil 7 des Elementes 1 Natrium. Die Elektrodenreaktionen des Brennstoff-

mit dem Brennstoffelement 2 verbinden. Das elementes sind die folgenden:

Natrium-Natriumamalgam-Element 1 ist geeignet 60 _{üye Elektrode:} 2 Na + 2 Na+ + 2 e

zum Betneb entweder bei maßigen oder bei hohen . . , _TT _/n'

Temperaturen. Für den Betrieb bei hohen Tempe- positive Elektrode: 2 e + V₂ O₂ + H₂O -y 2 (OH)-

raturen kann der wasserfreie Elektrolyt 4 eine ge- Das Element hat eine Ausgangsspannung von

schmolzene Mischung von 76°/o Natriumhydroxyd, 1,96 V und kann in einem Temperaturbereich von

10% Natriumbromid und 14% Natriumjodid ent- 65 50 bis 60° C betrieben werden,

halten, welche ein ausgezeichneter Leiter bei Tempe- Entsprechend der Erfindung ist die negative Aus-

raturen von 230° C ist. Für einen Bötrieb bei gangsklemme 24 des Brennstoffelementes 2 mit der

mäßigen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen Ausgangsklemme 11 des Natrium-Natriumamalgam-

Elementes I verbunden. Da beide Stufen in Serie verbunden sind, ist die Geschwindigkeit der Lösung von Natrium und die Bildung von Amalgam in dem Element 1 gleich der Geschwindigkeit des Verbrauchs an Amalgam in dem Brennstoffelement 2. Infolgedessen sind die Systeme ausgeglichen und das Element 1 erzeugt genau die Amalgammenge, die durch das Brennstoffelement 2 gefördert wird. Außerdem ergeben die in Serie verbundenen beiden Stufen eine Gesamtausgangsspannung des Paares Natrium—Sauerstoff von 2,8 V.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß das Zweistufensystem der Erfindung nicht nur einen Weg zeigt, um die volle Ausgangsspannung des Elementes Natrium—Sauerstoff zu erzielen, sondern daß sie auch die Herstellung eines Systems ermöglicht, das von Natur aus wirksam ist. Das Quecksilber, das als neutraler Träger für das Natrium verwendet wird, wird nicht verbraucht, sondern wird innerhalb des Systems umgewälzt. Aus diesem Grunde werden in dem Element nur zwei Stoffe verbraucht, nämlich Natrium und Sauerstoff.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Brennstoffelement, bestehend aus der Kornbination eines eine wäßrige Natriumhydroxydlösung als Elektrolyten (17) enthaltenden Natriumamalgam-Sauerstoff-Brennstoffelementes (2) und eines Natrium-Natriumamalgam-Elementes (1). welches eine Natrium- und eine Quecksilberelektrode (3, 5) und einen wasserfreien Elektrolyten (4) aufweist, wobei beide Elemente elektrisch in Serie geschaltet sind.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Natrium-Natriumamalgam-Element (1) erzeugte Amalgam als Brennstoff in das Natriumamalgam-Sauerstoff-Brennstoffelement (2) geliefert und das erschöpfte Amalgam zur Quecksilberelektrode (5) des Natrium-Natriumamalgam-Elementes (1) zurückgeführt wird und die positive Quecksilberelektrode (5) des Natrium-Natriumamalgam-Elementes (1) mit der negativen Brennstoffelektrode (16) des Brennstoffelementes (2) elektrisch verbunden ist.

3. Element nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wasserfreie Elektrolyt (4) in dem Natrium-Natriumamalgam-Element (1) aus einer geschmolzenen Mischung aus 76% Natriumhydroxyd, 10 % Natriumbromid und 14°/o Natriumiodid besteht.

4. Element nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wasserfreie Elektrolyt (4) in dem Natrium-Natriumamalgam-Element (1) eine Lösung von Natriumjodid in Äthylamin ist.

Hierzu t Blatt Zeichnungen