DE1496346A1 - Method for heating fuel batteries - Google Patents

Method for heating fuel batteries

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Description

Verfahren zur Aufheizung von Brennstoffbatterien. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Aufheizung von Brennstoffbatterien auf die Betriebstemperatur.Process for heating fuel batteries. Subject of the invention is a process for heating fuel batteries to operating temperature.

Bei tiefen Umgebungstemperaturen kühlt die Brennstoffbatterie stark ab, wenn sie über'-einen längeren Zeitraum nicht belastet wird.'Sie muß daher bei der Inbetriebnahme möglichst schnell äqf die Betriebstemperatur aufgeheizt werden, bei welcher sie ihre' volle Leistung abgibt.The fuel battery cools down considerably at low ambient temperatures if it is not burdened for a longer period of time. It must therefore be at heating up as quickly as possible to the operating temperature before commissioning, at which she gives her 'full power.

Fremde Energiequellen, welche die-notwendige Energie .zum . Aufheizen der Brennstoffbatterie liefern, stehen oft nicht zur Verfügung. Es ergab sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, das eine schnelle Aufheizung von Brennstoffbatterien ermöglicht ohne die Verwendung zusätzlicher Vorrichtungen.-Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß während der Aufheizzeit die notwendige Wärmemenge in dem.Brennstoff-. element durch die Verlustwärme der Reaktiotr zwischen einem .Brennstoff und einem Oxidationsmittel 1.- wobei die Reaktion eine höhere Reaktionsenthalpie besitzt als die -Reaktion zwischen dem nach dem Aufheizen verwendeten Brennstoff .und Oxidationamittelf Besonders vorteilhaft für die Aufheizung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Batterie ist ein Verfahren, bei dem als Betriebsstoffe mit höherer Reaktionsenthalpie der Gasseite der Wasserstoffelektrode Hydrazin und der Gasseite der Sauerstoffelektrode-Wasserstoffperoxid zugeführt wird.Foreign energy sources that provide the necessary energy. Heating up the fuel battery are often not available. The object was therefore to find a method which enables the rapid heating of fuel batteries without the use of additional devices. According to the invention, this object is achieved in that the necessary amount of heat in the fuel. element by the heat loss of the Reaktiotr between a .fuel and an oxidizing agent 1.- whereby the reaction has a higher enthalpy of reaction than the -reaction between the fuel used after heating .and Oxidationamittelf Particularly advantageous for heating a hydrogen-oxygen battery is a Process in which hydrazine is supplied to the gas side of the hydrogen electrode and hydrogen peroxide is supplied to the gas side of the oxygen electrode as operating materials with a higher reaction enthalpy.

Die höhere Reaktionsenthalpie H der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren während der ku$ieizzeit eingebrachten Betriebsstoffe wird zumindest teilweise als Verlustwärme im Elektrolyten frei und bewirkt die Erwärmung des Brennstoffelementes.The higher enthalpy of reaction The operating materials introduced during the cooling time according to the method according to the invention are at least partially released as heat loss in the electrolyte and cause the fuel element to be heated.

Die nachstehende Tabelle enthält dieheaktionsenthalpie H des Umsatzes von Wasserstoff und Sauerstoff. Außerdem sind noch für die Brennstoffe Hydrazin, Natriumboranatt Hydroxylamin und Formaldehyd, welche beispielsweise,-für das Verfahren verwendet werden können,- die Reaktionsgleichungen und -enthalpien für die Reaktion mit dem Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid angegeben. Die Enthalpiewerte sind bezogen auf die Zahl der Grammmole entsprechend den Reaktionsgleichungen. Reaktion Enthalpie t1 H @Kcal@ 2 H2 + 02 ----@ 2H20 - 137 N2H4+2H202-->>N2+4H20 -188 :1/2 NaBH4 + 2 H202--.1/2 NaH21303 + 2,5 H20 - 210 4 NH20H + 2 H2027 2 N2 + 8 H20 - 369 CH20 + 2 H202 + 2 OH---->CO3-2 + 4 H20. - 206,5 -,- Ganz allgemein kann'man zum Aufheizen- einer Wasserstoff-Sauerstoff-Batterie Reaktionen verwenden, die folgende Bedingungen erfüllen: .The table below contains the enthalpy of reaction H of the conversion of hydrogen and oxygen. In addition, for the fuels hydrazine, sodium boronate hydroxylamine and formaldehyde, which can be used for the process, for example, the reaction equations and enthalpies for the reaction with the oxidizing agent hydrogen peroxide are given. The enthalpy values are based on the number of gram moles according to the reaction equations. Reaction enthalpy t1 H @ Kcal @ 2 H2 + 02 ---- @ 2H20 - 137 N2H4 + 2H202 - >> N2 + 4H20 -188 : 1/2 NaBH4 + 2 H202 -. 1/2 NaH21303 + 2.5 H20 - 210 4 NH20H + 2 H2027 2 N2 + 8 H20 - 369 CH20 + 2 H202 + 2 OH ----> CO3-2 + 4 H20. - 206.5 -, - In general, reactions can be used to heat a hydrogen-oxygen battery that meet the following conditions:.

. 1.) Die Reaktionspartner werden an der Anode bzw. 'an der Kathode des Brennstoffelementes umgesetzt.. 1.) The reactants are at the anode or 'on the cathode of the fuel element implemented.

2.) Die Reaktionsenthalpie der Aufheizreaktion ist größer als die Enthalpie der Knallgasreaktion.2.) The enthalpy of reaction of the heating reaction is greater than that Enthalpy of the oxyhydrogen reaction.

3.) Die an der Aufheizreaktion beteiligten Stoffe haben keine aggressive oder .vergiftende Wirkung auf die Elektroden. Beispiel: Eine Wasserstoff-Bauerstoff-Batterie bestehend aus zehn .Brenn#-Stoffelementen wurde durch einen Verbraucher mit einem Widerstand von 3,4 Ohm belastet. Als Elektrolyt wurde wässrige 6-n KOH-Lösung verwendet.3.) The substances involved in the heating reaction have no aggressive or poisoning effect on the electrodes. Example: A hydrogen-based battery consisting of ten fuel elements was loaded by a consumer with a resistance of 3.4 ohms. Aqueous 6N KOH solution was used as the electrolyte.

Bei einer Betriebstemperatur von 600C betrug die Klemmenspannung bei einer Stromstärke von 2,5 A oder einer Stromdichte von 50 mA/cm 2 0,85 V für das Einzelelement. Die Batterie hatte somit eine Leistung von P - 21,25 w.At an operating temperature of 600C, the terminal voltage at a current strength of 2.5 A or a current density of 50 mA / cm 2 was 0.85 V for the individual element. The battery thus had an output of P - 21.25 w.

Bei einer Temperatur von sank die Batteriespannung bei einer Stromstärke von 1,125 A (Stromdichte i - 22,5 mA/cm2) von 8,5 V auf 3,85 V ab: Die Batterie gab also nur noch eine Leistung von ca. 4,3 W, d.h. weniger als ein Viertel der Nennleistung ab.At a temperature of the battery voltage sank at a current strength of 1.125 A (current density i - 22.5 mA / cm2) from 8.5 V to 3.85 V: The battery only gave an output of approx. 4.3 W, ie less than a quarter of the nominal power.

..Die Kurve 1 der Abbildung zeigt, wie sich innerhalb-der ersten Betriebsstunde die Leistung der Batterie dadurch erhöht, daß ein Teil der Reaktionsenthaid H der Reaktion 2 H2 + 02-i 2 H20 im Elektrolyten als jiärme frei wird und dadurch die Betriebstemperatur erhöht. Nach 60 Minuten ist die Batterie soweit . aufgeheizt, daß sie eine Leistung von 5,5 W liefert. Die Kurve 2 zeigt den Leistungsanstitg während der Aufheizzeit, wenn der _ Wasserstoffelektrode Hydrazin und der Sauerstoffelektrode Wasserstoffperoxid über den Gasraum zugeführt werden. Die Leistung. von 5,5 W wird dann bereits nach 10 Minuten erreicht. Eine Aufheizzeit von etwa 3'7 Minuten ist erforderlich, wenn diese . Leistung nach dem Umschalten auf die Betriebsstoffe Wasserstoff/ Sauerstoff erreicht werden soll...The curve 1 of the figure shows how the performance of the battery increases within the first hour of operation by the fact that part of the reaction content H of the reaction 2 H2 + 02-i 2 H20 in the electrolyte is released as heat and thereby increases the operating temperature. The battery is ready after 60 minutes. heated so that it delivers a power of 5.5 W. Curve 2 shows the increase in output during the heating-up time when the hydrogen electrode is supplied with hydrazine and the oxygen electrode is supplied with hydrogen peroxide via the gas space. The performance. of 5.5 W is then already reached after 10 minutes. A heating time of around 3'7 minutes is required if this. Power should be achieved after switching to the operating materials hydrogen / oxygen.

Die größere Leistungsabgabe der Batterie nach einer vorgegebenen Aufheizzeit, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht wird, kann noch für eine zusätzliche Beschleunigung des Aufheizvorganges verwendet werden. Die-von der Batterie abgegebene Leistung wird in diesem Falle während des Aufheizens zum Betrieb einer elektrischen Heizvorrichtung verwendet. Die Heizvorrichtung kann als Heizwiderstand auch anstelle der üblichen Widerstandsdrähte aus einem dünnen langen Elektrolytkanal bestehen, welcher beispielsweise die Elektrolyträume des ersten und dos letzten Elementes einer Anzahl in Serie geschalteter .Elemente verbindet und dadurch von einem Verluststrom durchflossen wird. ' Als Heizwiderstand können auch eine oder mehrere Elektroden der Batterie verwendet werden. Die Elektrode wird. dann als Stromverbraucher geschaltet und erwärmt sich dadurch, daß ein Mehrfaches der im normalen Betrieb durch die Elektrode fließenden Strommenge eine beträchtliche Stromwärme erzeugt. Die gesamte Reaktionsenthalpie kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch dadurch zum schnellen Aufheizen verwendet werden, daß man die beiden Reaktionsstoffe unmittelbar im Elektrolyten chemisch miteinander reagieren läßt.The greater power output of the battery after a predetermined heating-up time, which is made possible by the method according to the invention, can also be used for an additional acceleration of the heating-up process. In this case, the power output by the battery is used to operate an electrical heating device during the heating process. As a heating resistor, instead of the usual resistance wires, the heating device can consist of a thin, long electrolyte channel which, for example, connects the electrolyte chambers of the first and last element of a number of series-connected elements and is thus traversed by a leakage current . One or more electrodes of the battery can also be used as a heating resistor. The electrode will. then switched as a current consumer and is heated by the fact that a multiple of the amount of current flowing through the electrode during normal operation generates a considerable amount of current heat. The entire enthalpy of reaction can also be used for rapid heating in the process according to the invention by allowing the two reactants to react chemically with one another directly in the electrolyte.

Claims (4)

Patentansprüche 1. - Verfahren zum Aufheizen von Brennstoffbatterien auf die Betriebstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß während der Aufheizzeit die notwendige Wärmemenge in dem Brennstoffelement durch die Verlustwärme der Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel geliefert wird, wobei diese Reaktion eine höhere Reaktionsenthalpie besitzt als die Reaktion zwischen dem nach dem Aufheizen verwendeten Brennstoff und Oxidationsmittel. . Claims 1. Method for heating fuel batteries to the operating temperature, characterized in that during the heating-up time the necessary amount of heat in the fuel element due to the heat loss from the reaction between a fuel and an oxidizer, these Reaction has a higher enthalpy of reaction than the reaction between the after fuel and oxidizing agent used for heating. . 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsstoffe mit höherer Reaktionsenthalpie zum Aufheizen einer Batterie der Wasserstoffelektrode Hydrazin und/oder Hydroxylamin und der Sauerstoffelektrode Wasserstoffperoxid zugeführt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that as supplies with a higher enthalpy of reaction for heating a battery of the hydrogen electrode hydrazine and / or hydroxylamine and hydrogen peroxide is supplied to the oxygen electrode. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß.die von der Brennstoffbatterie gelieferte elektrische-Energie während der Aufheizung durch in der Batterie befindliche . elektrische-Widerstände geleitet wird. 3. Procedure according to Claim 1, characterized in that the one supplied by the fuel battery electrical energy during heating by in the battery. electrical resistors is directed. 4. Verfahren-nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die -zum Aufheizen der_Batterie benötigte Wärmemenge durch die`: unmittelbar im Elektrolyten stattfindende chemische Reaktion der Stoffe mit höherer Reaktionsenthalpie erzeugt wird.4. The method-according to claim 1, characterized in that the -to Heating the_Battery required amount of heat by the`: directly in the electrolyte chemical reaction of the substances with a higher enthalpy of reaction is generated will.
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