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Elektroden für Brennstoffelemente Es ist seit langem versucht worden,
elektrische Energie aus Gasen, wie Wasserstoff, Kohlenoxyd u. a., durch elektrochemische
Oxydation in sogenannten Brennstoffelementen zu gewinnen.
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Dabei werden sogenannte Gasdiffusionselektroden, aus Metall- oder
Kohlepulver hergestellte poröse Körper, benutzt. In einem stromliefernden Element
sind mindestens zwei derartige Elektroden vorhanden, die einen gemeinsamen Elektrolyten
haben. In eine dieser Elektroden wird das Brennstoffgas, z. B. Wasserstoff, Methan
oder Kohlenoxyd, in die andere das Reaktionsga,s, z. B. Sauerstoff oder diesen enthaltende
Gasgemische, z. B. Luft, oder Halogene, z. B. Chlor, eingeleitet. Die Umsetzung
zwischen dem Gas und dem Elektrolyten geht im Innein der Poren der Elektrode vor
sich.
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Ein bekannter Mangel dieses Verfahrens besteht darin, daß sich im
Innern der Elektroden inerte Gase während des Betriebes anreichern können. Dadurch
wird der Nachschub des Reaktionsgases behindert oder unterbunden. Da der Weg, die
Reaktionsgase völlig von dem Inertgas zu befreien, wirtschaftlich ungünstig erscheint,
geht ein bekannter Vorschlag dahin, die in den Elektroden angesammelten Inertgase
periodisch in den Elektrolyten zu blasen, indem eine Zeitlang der Gasdruck so sehr
erhöht wird, daß die Reaktionsgase die Poren der Elektrode durchströmt. Ein ungleichmäßiges
Arbeiten des Elementes läßt sich hierbei naturgemäß nicht ausschalten.
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Ein weiterer bereits erkannter Mangel der Elektroden besteht darin,
daß die Poren ungleichmäßige Querschnitte besitzen. Man hat daher -versucht, durch
Maßnahmen besonderer Art Abhilfe zu schaffen; z. B. wurde vorgeschlagen, die aus
Metallpulver hergestellten Elektroden in einem galvanischen Bad zu behandeln, um
dabei die größeren Poren zu verengen oder die zur Herstellung dienende Form mit
möglichst parallel ausgerichteten fadenförmigen Füllkörpern, z. B. Textilfasem (Samt),
oder feinen Metalldrähten zu versehen, in die Räume zwischen den Füllkörpern sodann
Graphit-, Kohle- oder Metallpulver einzubringen, wie üblich zu pressen und bzw.
oder zu sintern und schließlich die Füllkörper zu entfernen. Mit dieser (praktisch
nur schwer erreichbaren) Vergleichmäßigung der Poren in den Preß- oder Sinterkörpem
soll angestrebt werden, daß nur wenige Poren durch den zu weit eindringenden Elektrolyten
verstopft werden und andere zu große, Poren das Gas ungenutzt in den Elektrolyten
entweichen lassen.
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Es ist weiter bekannt, als Elektrode Drahtgeflecht zu verwenden. Dabei
soll die Energieerzeugung abhängig sein von der Größe der vom Elektrolyten im Gasbereieb
infolge von Oberflächenkräften benetzten Drahtoberfläche, so daß die Energi*,>rzeugung
bei
großoberflächigen Drähten am günstigsten wäre. Diese Erwägungen und Maßnahmen
haben, obwohl sie schon 1938 entstanden sind, bisher in der Forschung und
der Praxis keine Rolle spielen können.
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Bei der sogenannten Knallgaskette, bei der zwei Eisenelektroden
in eine Ätznatronschmelze eingetaucht werden, von denen die eine mit Luft, die andere
mit Wasserstoff bespült wird, ist es bekannt, der Elektrode die Form einer Tauchglocke
zu
geben, deren untere, in den Elektrolyten tauchende Fläche mit einem Rost
verschlossen ist. Dieser Rost kann die Form einer Bürste, einer R--use, eines Drahtgeflechtes,
einer Drahtnetzrolle oder eines Polsters aus Drehspänen haben. Die Luft bzw. der
Wasserstoff sollen durch diesen Rost in den Elektrolyten einströmen. Es handelt
sich in diesem Falle demnach nicht um eine Elektrode, bei der die Grenzfläche Gas-Elektrolyt
im Inneren der Elektrode liegen soll und möglichst kein Gas in den Elektrolyten,
einströmen darf.
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Nach der Erfindung sollen Elektroden für Brennstoffelemente zum Betrieb
mit an den Elektroden vorbeigeführten Gasen und mit flüssigen Elektrolyten, welche
aus einem gasundurchlässigen Metall mit gleichmäßig offenen Poren bestehen und bei
denen die Phasengrenze Gas-Elektrolyt-Elektrode an der elektrolytseitigen Begrenzungsfläche
der Elektrode liegt, wesentlich verbessert werden.
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Eine Art dieser Elektroden besteht im Gegensatz zu den bisherigen
gesinteiten, porösen Elektroden
aus gasundurchlässigeni Metall mit
gleichmäßig großen Durchlaßöffnungen. Dazu wird z.B. von Kapillarröhrchen mit kleinem
Innendurchmesser, z. B. 0,01 bis 1 mm, ausgegangen, wie sie für Zwecke
der RadiotechmIk auf dem Markt sind. Solche Röhrchen werden zweckmäßig gebündelt
und durch Löten oder andere geeignete Maßnahmen so zusammengeschlossen, daß zwischen
den einzelnen Kapillaren kein Gas hindurchtreten kann. Die Gase können dann nur
im Innern der Kapillaren mit dem Elcktrolyten zusammcnireten. Da die> Kapillaren
alle den gleichen Durchmesser haben und sornit auch der Kapillardruck überall den.
gleichen Wert aufweist, gelingt es, durch zweckmäßige Gasdruckeinstellung die Grenzfläche
Elektrolyt-Gas bis dicht an die clektrolytseitig gelegene Öffnung der Kapillaren
zu legen. Hierdurch wird die Diffusion der durch die Umsetzung entstandenen Produkte
in den Elektrolyten gefördert. Dies wirkt sich sehr günstig auf Stromdichte der
Elektrode aus.
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Zur Herstellung von brauchbaren Elektroden kann man auch entsprechend
dänne Drähte, rund oder profdiert, bündeln, in eine Umhüllung einschließen und
die zwischen den Drähten befindlichen Zwischenräume als Kapillaren benutzen.
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Weiter sind Elektroden Gegenstand der Erfindung, die so hergestellt
sind, daß auf die, oben angegebene Weise hergestellte Kapillarbündel in kleine Abschnitte
zerschnitten und diese miteinander durch Löten oder andere inetallverbindende Operationen
zu einer Kapillarplatte vereinigt wurden.
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Weiterhin wirderfindungsgemäß vorgeschlagen, die Dicke der Elektroden
und damit die Länge der Durchlässe unter 2 mm betragen zu lassen. Vorzugsweise sollen,
diese Abmessungen weit unter 2 mm, z. B. bei 0,05 nun, liegen. Solche dünnen
Elektroden können z. B. aus feinmaschigen Siebblechen bestehen. -Bei Bedarf können
die, Elcktrodenflächen mit zusätzlichen Stromableitern, z. B. in Rippen- oder Maschenform,
versehen sein. Die Elektroden können in eine aus leitendem oder nichtleitendem Material
hergestelle Kammer eingebettet sein.
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Solche Siebbleche lassen sich z. B. auf galvanoplastischem Wege in
an sich bekannter Weise mit einer Lochgröße von 15 #t und kleiner herstellen.
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Da die Dicke solcher Elektroden sehr gering g#> halten werden kann,
geschieht die, Vereinigung der das Brennstoffelenient speisenden Gase unmittelbar
an der Grenze Metall-Flüssigkeit von widerstandserhöhenden Diffusionseflekten ungestört.
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Bekanntlich erfolgt bei einer Kapillaren, deren eines Ende,
in eine Flüssigkeit taucht, deren anderes mit einem Gasraum unter dem Druck P verbunden
ist, ein Austritt von Gas in die Flüssigkeit erst dann, wenn der Druck des Gases
die Summe aus Flüssigkeitsdruck und dem durch die Formel
gegebenen Kapillardruck überschreitet, worin öP den Kapillardruck, a die
Oberflächenspannung des Elektrolyten und r den Radius der Öffaung bedeutet. (Diese
Formel gilt für Öffnungen rm,*t Kreisquerschnitt, für andere Querschnitte gilt eine
entsprechende Formel.) Diese oben angegebene Formel gilt für alle Kapillaren, auch
für solche, deren Länge von etwa gleicher Größenordnung wie der Durchmesser wird.
Wählt man also den Druck in einer durch eine Siebplatte abgeschlossenen Kammer größer
oder gleich dem Flüssigkeitsdruck, so kann er innerhalb der durch den Kapillardruck
gezogenen Grenze verändert werden, ohne daß Gas aus der Kammer entweichen oder Flüssigkeit
in diese eindringen kann.
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Diese Anordnung ermöglicht auch eine kontinuierliche Stromgewinnung.
Während man bisher genötigt war, von Zeit zu Zeit die sich in den, Kapillaren ansammelnden,
den das Brennstoffeleinent speisenden Gasen beigemischten, indifferenten Gase, wie
Stickstoff, Argon, Kohlendioxyd u. a., durch Erhöhung des Gasdruckes auszublasen,
ist dies jetzt nicht mehr erforderlich, weil man die, zur Umsetzung bestimmten Gase
an den Elektroden vorbeiführen kann, wobei das Brenngas zum größeren Teil unter
Gewinnung von elektrischer Energie reagiert. Zum kleineren Teil aber wird, -es unter
Anreicherung der Inerten aus dem Gasraum abfließen. Dieser Teil kann dann zum Verdampfen
des bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehenden Wassers verwendet
werden, um dessen Anreicherung im Elektrolyten zu verhindern, oder zur Beseitigung
der anderen Reaktionsprodukte im Elektrolyten, wie Kohlendioxyd oder Salzsäure,
herangezogen worden. An SteRe von reinem Sauerstoff, wie er bisher in Brennstoffelementen
bevorzugt benutzt wurde, um die Erstickung der Kapillaren zu vermeiden, kann man
jetzt au-eh Luft verwenden. Es ist auch möglich, die Elektroden in dem gleichen
Elektrolyten überemander anzuordnen.
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In der Abb. 1 ist eine Anordnung zur Erzeugung von elektrischer
Energie unter Verwendung von Sieb-
platten wiedergegeben.
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In dem Gefäß A befindet sich der Elektrolyt B, der in diesem
Fall aus konz. NaOH besteht. Selbstverständlich können auch andere Elektrolyte verwendet
worden.
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Die Zuleitungen für Sauerstoff und-Wasserstoff G,
M
führen zu den Gaskammern D, welche mit feinstmaschigen Siebplatten
E, die z. B. aus Nickel bestehen, abgeschlossen sind. An Stelle der Siebplatten
können auch aus KapillaTbündeln zusammengesetzte Elektrodenplatten treten.
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Die beiden Gase Sauerstoff und Wasserstoff werden an der Abschlußsiebplatte
Ionen bilden, die zu Wasser zusammentreten.
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Die in den Gasen vorhandenen Inertgase werden durch die Ableitungen
F und H zusammen mit -einem Teil des Wasserstoffs bzw. Sauerstoffs abgeführt, wobei
die, abfließende Menge durch die Hähne C,
und C, gmgelt werden kann.
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Der in den Siebplatten entstehende Strom wird durch die Leitungen
K und L abgefülirt. Die die Gaskammem mit gleicher Gasfüllung abschließenden Siebplatten
können elektrisch sowohl hintereinander wie parallel geschaltet werden. Der Elektrolyt
kann zur besseren Durchmischung gerührt werden.
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In der Abb. 2 ist eine weitere, Anordnung dargestellt, die sich von
der Iri Abb. 1 gezeigten nur dadurch unterscheidet, daß das Gefäß
A in Wegfall gekommen ist und der Elektrolyt B durch ein Rohrsystem
N mit Hilfe einer Pumpe P durch die Flüssigkeitskammern R umgepumpt
werden kann.