DE1496363C - Fuel element - Google Patents
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Description
1 21 2
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement mit bestehen im wesentlichen aus Eisenoxid und AIu-The invention relates to a fuel element with consist essentially of iron oxide and aluminum
einer Kammer für den Brennstoff, einer davon ge- miniumoxid bzw. Eisenoxid, Magnesiumoxid unda chamber for the fuel, one of them minium oxide or iron oxide, magnesium oxide and
trennten Kammer für das Oxydationsmittel, einem Aluminiumoxid. Als fester Elektrolyt dient eineseparated chamber for the oxidizing agent, an aluminum oxide. One serves as the solid electrolyte
Schmelzflußelektrolyten und zwei abwechselnd mit dem Mischung aus Natriumkarbonat, Wolframoxid, Na-Melt-flow electrolytes and two alternating with the mixture of sodium carbonate, tungsten oxide, sodium
Brennstoff bzw. dem Oxydationsmittel in Verbindung 5 triumsilikat und Monazit.Fuel or the oxidizing agent in connection 5 trium silicate and monazite.
bringbaren Elektroden. Das erfindungsgemäße Brennstoffelement arbeitet
Bei den bekannten Brennstoffelementen findet stets nicht wie die bekannten Elemente mit einer Dreieine
sogenannte Dreiphasenreaktion statt. Dabei ist phasenreaktion. Es'wird vielmehr in der Gasphase,
erforderlich, daß das gasförmige Oxydations- bzw. d. h. bei Berührung der Elektroden mit dem Oxyda-Reduktionsmittel,
der flüssige Elektrolyt und die feste io tions- bzw. Reduktionsmittel, die Elektrode oxydiert
Elektrode an einer Stelle aufeinandertreffen. Die bzw. reduziert und anschließend beim Eintauchen der
Elektrode dient in diesem Fall als Katalysator. Die Elektrode in den Elektrolyten diese umgekehrt reduverwendeten
Elektroden sind im allgemeinen aus ziert bzw. oxydiert. Die Elektrode unterliegt also
Metallpulvern sehr großer Reinheit gesintert. Deshalb einem dauernden Redox-Vorgang,
müssen sie im allgemeinen unter Vakuum oder Schutz- 15 Dabei ist die Porosität der Elektrode ohne wesentgas
erhitzt werden, was natürlich die Herstellung liehe Bedeutung, so daß die Elektroden mit einem
kompliziert macht. Ein weiterer Nachteil der Drei- geringen Porenanteil, d. h. einer hohen mechanischen
phasenreaktion ist darin zu sehen, daß die Reaktion Festigkeit erzeugt werden können. Gleichzeitig besteht
sich jeweils nach dem schwächsten Reaktionsteilnehmer nicht die Gefahr, daß die Leistung des Elements infolge
richtet, wodurch der Wirkungsgrad unter Umständen 20 einer Verschmutzung bzw. Verstopfung der Poren
erheblich eingeschränkt wird. Weiterhin ist die Zahl erheblich absinkt. Beim erfindungsgemäßen Sintern
der zur Herstellung einer Elektrode bei den bekannten von Mischungen von Metalloxiden erhält man Misch-Brennstoffelementen
geeigneten Werkstoffe im Hin- oxide aus zwei- und dreiwertigen Metallen, welche, wie
blick auf die erforderliche Porosität und die Größe der allgemein bekannt, halbleitende Eigenschaften haben.
Mikroporen begrenzt. Es finden vor allem Nickel, 25 Dies ist für die Elektroden der Brennstoffelemente von
Silber und hochreiner Kohlenstoff Verwendung. Wohl besonderem Vorzug, da unter diesen Umständen auch
der schwerwiegendste Nachteil der bekannten Brenn- bei den Betriebstemperaturen der Brennstoffelemente
Stoffelemente ist aber schließlich darin zu sehen, daß eine ausreichende Leitfähigkeit der Elektroden gewährdie
porösen Elektroden nur relativ kurze Zeit zufrieden- leistet ist.bringable electrodes. The fuel element according to the invention works. In the known fuel elements, a so-called three-phase reaction does not always take place like the known elements with a three. There is phase reaction. Rather, it is necessary in the gas phase that the gaseous oxidizing agent, ie when the electrodes come into contact with the oxidizing agent, the liquid electrolyte and the solid ionizing agent or reducing agent, the electrode oxidizes the electrode at one point. The or reduced and then when the electrode is immersed serves as a catalyst in this case. The electrode in the electrolyte, these reversely redu-used electrodes, are generally decorated or oxidized. The electrode is therefore subject to sintered metal powders of very high purity. Therefore a permanent redox process,
They generally have to be heated under vacuum or under protective conditions. The porosity of the electrode is heated without essential gas, which of course makes the manufacture of the electrodes complicated. Another disadvantage of the three-low pore proportion, ie a high mechanical phase reaction, is that the reaction can generate strength. At the same time, depending on the weakest reaction participant, there is no risk that the performance of the element will be directed as a result, whereby the efficiency is considerably restricted under certain circumstances by contamination or clogging of the pores. Furthermore, the number is falling significantly. In the inventive sintering of the known mixtures of metal oxides for the production of an electrode, materials suitable for mixed fuel elements are obtained in the oxides of bivalent and trivalent metals, which, as is generally known, have semiconducting properties to have. Micropores limited. Above all, nickel is found, 25 This is used for the electrodes of the fuel elements made of silver and high-purity carbon. Probably a special advantage, since under these circumstances the most serious disadvantage of the known fuel elements at the operating temperatures of the fuel elements is ultimately to be seen in the fact that sufficient conductivity of the electrodes ensures that the porous electrodes are only satisfied for a relatively short time.
stellend arbeiten. Die Elektroden haben einerseits eine 30 Es sind zwar auch schon galvanische Elementehiring work. On the one hand, the electrodes have a 30 They are also galvanic elements
derart geringe mechanische Festigkeit, daß sie häufig bekannt, bei denen eine aus Metall bzw. Kohlenstoffsuch low mechanical strength that they are often known to be made of metal or carbon
zerstört und somit unbrauchbar werden. Darüber bestehende Elektrode oxydiert bzw. mit Sauerstoffdestroyed and thus useless. Existing electrode is oxidized or with oxygen
hinaus besteht aber auch die Gefahr, daß sich die Poren beladen und anschließend im Elektrolyt wieder redu-In addition, there is also the risk that the pores will become loaded and then reduced again in the electrolyte.
zusetzen, somit die wirksame Oberfläche der Elektro- ziert bzw. der Sauerstoff abgegeben wird. Diese bekann-add so that the effective surface of the electrons or the oxygen is released. This known
den und damit gleichlaufend die Kapazität des Brenn- 35 ten galvanischen Elemente können jedoch keine Anre-however, the capacitance of the burning galvanic element cannot be stimulated.
stoffelementes verkleinert wird. gung in Richtung der Erfindung geben, da eine Reduk-fabric element is reduced. give in the direction of the invention, since a reduction
Diese Tatsache macht sich besonders bei den bekann- . tion der aus Metall bzw. Kohlenstoff bestehendenThis fact is particularly well-known among the. tion of those made of metal or carbon
ten Brennstoffelementen nachteilig bemerkbar, bei Elektroden der bekannten Elemente nicht möglich,th fuel elements disadvantageously noticeable, not possible with electrodes of the known elements,
welchen die Elektroden abwechselnd mit dem Brenn- somit ihr Einsatz als Brennstoffelektrode nicht vor-which the electrodes alternate with burning - thus their use as fuel electrodes -
stoff- bzw. Oxydationsmittel und dem Elektrolyten in 1° stellbar wäre. ,substance or oxidizing agent and the electrolyte would be adjustable in 1 °. ,
Verbindung gebracht werden. Sind nämlich bei einem Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wennBe associated. It has proven to be particularly advantageous when
derartigen Brennstoffelement die Poren verstopft oder die Brennstoffelektrode aus einer Mischung aus ZnO,such a fuel element clogs the pores or the fuel electrode is made of a mixture of ZnO,
ist die Elektrode zerstört, so kann der gasförmige Cr2O3 und AI2Oj in einem Molverhältnis von 1:1:0,3if the electrode is destroyed, the gaseous Cr 2 O 3 and Al 2 Oj in a molar ratio of 1: 1: 0.3
Brennstoff bzw. das Oxydationsmittel nicht an der gesintert ist und teilweise Spinellstruktur aufweist.The fuel or the oxidizing agent is not sintered and partially has a spinel structure.
Elektrode angelagert und der Dreiphasenreaktion 45 Mit einer derartigen Brennstoffelektrode läßt sich eineElectrode deposited and the three-phase reaction 45 With such a fuel electrode can be a
zugeführt werden. beachtliche Leistung des Elements erreichen.are fed. achieve considerable performance of the element.
•Ziel der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung Die positive Elektrode ist nach der Erfindung mit• The aim of the invention is therefore to avoid the positive electrode according to the invention with
dieser Nachteile ein Brennstoffelement zu schaffen, ' Vorzug aus einer Mischung aus NiO, Co2O3, Al2O11 of these disadvantages to create a fuel element, preference from a mixture of NiO, Co 2 O 3 , Al 2 O 11
dessen Elektroden leicht herstellbar sind, eine hohe und zusätzlich MgO in einem Molverhältnis vonwhose electrodes are easy to manufacture, a high and additionally MgO in a molar ratio of
mechanische Festigkeit aufweisen und darüber hin- 5° 1:1:1:1 gesintert. Die Verwendung einer solchenhave mechanical strength and moreover 5 ° 1: 1: 1: 1 sintered. The use of such
aus eine lange Lebensdauer des Elements gewähr- positiven Elektrode bewirkt ebenfalls eine beachtlicheThe electrode, which guarantees a long service life for the element, also has a considerable effect
leisten. 'j ■ : Leistungssteigerung.Afford. 'j ■ : increase in performance.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile derAccording to the invention, this object is achieved with a further details, features and advantages of
Brennstoffelement der eingangs geschilderten Ausbil- Erfindung ergeben sich aus der folgenden BeschreibungThe fuel element of the training invention described above emerges from the following description
dung dadurch gelöst, daß die Elektroden aus einer 55 einiger bevorzugter Ausführuiigsfornien an Hand derThis solution is achieved in that the electrodes are made from a number of preferred embodiments with the aid of the
gesinterten Mischung von Zinkoxid und/oder Alu- Zeichnung. Hierbei zeigtsintered mixture of zinc oxide and / or aluminum drawing. Here shows
miniumoxid mit Oxiden des Eisens, Kobalts, Nickels, F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein gemäß der
Chroms und/oder Kupfers bestehen, wobei die Elek- Erfindung ausgebildetes Brennstoffelement vor dem
troden von dem Brennstoff bzw. dem Oxydations- Eintauchen der Elektroden in den Elektrolyt,
mittel reduzierbar bzw. oxydierbar, bei Kontakt mit 60 Fig. 2 einen Schnitt entsprechend Fig. 1 bei in
dem Elektrolyten dagegen oxydierbar bzw. reduzierbar den Elektrolyt eintauchenden Elektroden,
sind. . Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine andere Aus-Aus
Oxiden mehrerer Metalle bestehende Elektroden führungsform eines Brennstoffelements,
sind für Brennstoffelemente der eingangs erwähnten F i g. 4 einen Längsschnitt durch ein Brennstoff-Art
bekannt, bei denen die Elektroden auf einer Seite 65 element in der bisher gebräuchlichen Ausbildung,
mit dem Elektrolyten in Berührung stehen, während F i g. 5 in einem Diagramm die Abhängigkeit der
auf der anderen Seite das Reaktionsgas zugeführt wird. Spannung (V) und der Stromdichte (mA/cm2) bei
Die Elektroden dieser bekannten Brennstoffzeile einem Brennstoffelement gemäß der Erfindung imminium oxide with oxides of iron, cobalt, nickel, F i g. 1 consist of a longitudinal section through a according to the chromium and / or copper, the elec-
medium reducible or oxidizable, on contact with 60 FIG. 2 a section corresponding to FIG. 1 with electrodes immersed in the electrolyte, however, oxidizable or reducible,
are. . 3 shows a longitudinal section through another electrode guide form of a fuel element consisting of several metal oxides,
are for fuel elements of the F i g mentioned at the outset. 4 a longitudinal section through a fuel type known, in which the electrodes on one side 65 element in the conventional design,
are in contact with the electrolyte, while F i g. 5 shows in a diagram the dependence on which the reaction gas is supplied on the other side. Voltage (V) and the current density (mA / cm 2 ) at The electrodes of this known fuel cell in a fuel element according to the invention
Vergleich zu einem herkömmlichen Brennstoffelement gemäß F i g. 4 undComparison with a conventional fuel element according to FIG. 4 and
F i g. 6 ein Diagramm, welches einen Vergleich der Spannung und der Betriebsdauer zwischen einem Brennstoffelement nach der Erfindung und einem herkömmlichen Brennstoffelement ermöglicht.F i g. 6 is a diagram showing a comparison of the voltage and the operating time between a Allows fuel element according to the invention and a conventional fuel element.
Das Brennstoffelement nach F i g. 1 und 2 weist ein Gehäuse 1 auf, dessen untere Hälfte von dem schmelzflüssigen Elektrolyten 2 angefüllt ist. Der oberhalb des Elektrolyten 2 verbleibende Teil des Gehäuses 1 ist durch die wenigstens teilweise in den Elektrolyten eintauchende Trennwand 5 in die Kammer 6 für den Brennstoff und die Kammer 7 für das Oxydationsmittel unterteilt. In der Brennstoffkammer 6 ist die heb- und senkbare Brennstoffelektrode 3 angeordnet. Die positive Eektrode 4 befindet sich in der Kammer 7 für das Oxydationsmittel. Die Zufuhr des Brennstoffes zur Kammer 6 erfolgt über den Einlaßkanal 8, während überschüssiger bzw. oxydierter Brennstoff durch den Auslaßkanal 9 entweichen kann. In gleicher Weise ist an der Kammer 7 ein Einlaßkanal 10 und ein Auslaßkanal 11 für ein Oxydationsmittel vorgesehen. Die Elektroden 3, 4 sind jeweils an einem Stab 12 bzw. 13, welcher bei dem Ausführungsbeispiel aus nichtrostendem Stahl besteht, befestigt. Die Stäbe 12, 13 dienen gleichzeitig als Anschlußklemmen. Die Stäbe 12, 13 sind durch einen Isoliereinsatz 14 aus Quarz gegenüber dem Zellengefäß 1 elektrisch isoliert.The fuel element according to FIG. 1 and 2 has a housing 1, the lower half of which molten electrolyte 2 is filled. The part of the remaining above the electrolyte 2 Housing 1 is through the partition wall 5, which is at least partially immersed in the electrolyte, into the chamber 6 divided for the fuel and the chamber 7 for the oxidizing agent. In the fuel chamber 6 the liftable and lowerable fuel electrode 3 is arranged. The positive electrode 4 is located in the Chamber 7 for the oxidizing agent. The fuel is supplied to the chamber 6 via the inlet channel 8, while excess or oxidized fuel can escape through the outlet channel 9. In the same way, on the chamber 7 there is an inlet channel 10 and an outlet channel 11 for an oxidizing agent intended. The electrodes 3, 4 are each attached to a rod 12 or 13, which in the exemplary embodiment consists of stainless steel. The rods 12, 13 also serve as connecting terminals. The bars 12, 13 are through an insulating insert 14 made of quartz electrically isolated from the cell vessel 1.
Als Elektrolyt 2 findet vorzugsweise ein geschmolzenes Gemisch aus Natrium-, Kalium- und Lithiumkarbonaten in einem Molverhältnis von 3:3:4 Verwendung. Außerdem können Alkalihydroxide, Alkalioxide, Alkalihalogensalze, Sulfide, Phosphate und deren Mischungen als Elektrolyt verwendet werden.A molten mixture of sodium, potassium and lithium carbonates is preferably used as the electrolyte 2 in a molar ratio of 3: 3: 4 use. In addition, alkali hydroxides, alkali oxides, Alkali halogen salts, sulfides, phosphates and their mixtures can be used as the electrolyte.
Die Elektroden 3, 4 bestehen aus einer gesinterten Mischung von Zinkoxid und/oder Aluminiumoxid mit Oxiden des Eisens, Kobalts, Nickels, Chroms und/oder Kupfers.The electrodes 3, 4 consist of a sintered mixture of zinc oxide and / or aluminum oxide with Oxides of iron, cobalt, nickel, chromium and / or copper.
Mit besonderem Vorzug wird als Brennstoffelektrode eine Elektrode aus einer Mischung aus Zinkoxid, Chromoxid und Aluminiumoxid in einem Molverhältnis von 1:1:0,3 verwendet. Die Herstellung dieser Elektrode erfolgt auf folgende Weise:An electrode made of a mixture of zinc oxide, Chromium oxide and aluminum oxide used in a molar ratio of 1: 1: 0.3. The making of this Electrode is done in the following way:
Es werden 50 g Zinksulfat, 140 g Chromsulfat und 49 g Kalialaun in 1 Liter Wasser gelöst und in 800 ecm verdünntem Ammoniakwasser (ungefähr IN) neutralisiert. Die so erhaltene Metallhydroxide werden mit Wasser gewaschen, getrocknet und anschließend 5 Stunden bei einer Temperatur von etwa 10000C gebacken, wodurch die Metalloxide ZnO und Cr2O3 entstehen. Eine Röntgenanalyse dieser Metalloxide ergab, daß sie zumindest teilweise Spinellstruktur aufweisen. Das Metalloxidpulver wird in eine — beispielsweise 4 cm lange, 2 cm breite und 0,2 cm hohe — Eisenform zusammen mit 5 nichtrostenden Netzen (der Sieb-Nummer 0,30 nach DIN 1171) gegeben und gepreßt. Die Netze werden dabei gleichmäßig in der Pulverschicht verteilt. Der Preßdruck beträgt etwa 500 kg pro cm2. Die derart erhaltene feste Elektrode wird anschließend in einer H2-Atmosphäre bei einer Temperatur von 1050° C 5 Stunden lang gesintert. Die so erhaltene Elektrode ist grau und mechanisch fest.50 g of zinc sulphate, 140 g of chromium sulphate and 49 g of potassium alum are dissolved in 1 liter of water and neutralized in 800 ecm of diluted ammonia water (approximately IN). The metal hydroxides obtained in this way are washed with water, dried and then baked for 5 hours at a temperature of about 1000 ° C., as a result of which the metal oxides ZnO and Cr 2 O 3 are formed. An X-ray analysis of these metal oxides showed that they at least partially have a spinel structure. The metal oxide powder is placed in an iron mold - for example 4 cm long, 2 cm wide and 0.2 cm high - together with 5 stainless nets (sieve number 0.30 according to DIN 1171) and pressed. The nets are distributed evenly in the powder layer. The pressure is about 500 kg per cm 2 . The solid electrode thus obtained is then sintered in an H 2 atmosphere at a temperature of 1050 ° C. for 5 hours. The electrode obtained in this way is gray and mechanically strong.
In ähnlicher Weise wird auch die positive Elektrode hergestellt, die bevorzugt aus NiO, Co2O3, Al2O3 und MgO in einem Molverhältnis von 1:1:1:1 besteht. Bei der positiven Elektrode erfolgt jedoch das abschließende Sintern in Luft.The positive electrode, which preferably consists of NiO, Co 2 O 3 , Al 2 O 3 and MgO in a molar ratio of 1: 1: 1: 1, is also produced in a similar manner. In the case of the positive electrode, however, the final sintering takes place in air.
Als Brennstoff, der die Kammer 6 durchströmt, können Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Äthan, Propan u. dgl., oder andere brennbare Gase dienen. Als Oxydationsmittel, welche in der Kammer 7 vorhanden sind, finden z. B. Luft oder Sauerstoff und Kohlendioxid Verwendung.Hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons, such as methane, ethane, propane, etc., or other flammable gases. As an oxidizing agent, which are present in the chamber 7, find z. B. Air or oxygen and carbon dioxide use.
Bei der Stellung der F i g. 1 wird die Brennstoffelektrode 3 von dem Brennstoff reduziert, die positive Elektrode durch das Oxydationsmittel hingegen oxydiert. Werden dann die Elektroden gemäß F i g. 2 abgesenkt und in den Elektrolyten 2 eingetaucht, so erfolgen in einer elektrochemischen Reaktion eine Oxydation der Brennstoffelektrode 3 und eine Reduktion der positiven Elektrode 4. Während dieses Vorgangs kann an den Stäben 12, 13 eine Spannung abgenommen werden. Dabei ändert sich die von dem Brennstoffelement abnehmbare Strommenge proportional mit der Geschwindigkeit, mit der der Vorgang des Anhebens und Absenkens wiederholt wird. Bei einem Versuch ergaben sich die in der untenstehenden Tabelle 1 enthaltenen Ergebnisse:In the position of the F i g. 1 becomes the fuel electrode 3 is reduced by the fuel, while the positive electrode is oxidized by the oxidizing agent. If the electrodes are then shown in FIG. 2 lowered and immersed in the electrolyte 2, so oxidation occurs in an electrochemical reaction of the fuel electrode 3 and a reduction of the positive electrode 4. During this process a tension can be picked up on the rods 12, 13. This changes that of the fuel element Removable amount of current proportional to the speed at which the lifting process is carried out and lowering is repeated. In an experiment, the results are shown in Table 1 below contained results:
Zyklen/Min.Cycles / min.
1
2
3
4
51
2
3
4th
5
Stromdichte (mA/cm2),
bei einer Spannung von 0,5 VCurrent density (mA / cm 2 ),
at a voltage of 0.5 V.
100
125
175
200
165100
125
175
200
165
In F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform des Brennstoffelements gemäß der Erfindung dargestellt. Bei diesem Element sind die Elektroden 3', 4' scheibenförmig ausgebildet und laufen kontinuierlich um. Die scheibenförmigen Elektroden 3', 4' sind auf den Stäben 12, 13 entsprechenden Wellen 12', 13' gelagert, die gleichzeitig zum Anschluß des Verbrauchers dienen. Die Wellen 12', 13' sind mittels der Isolierkörper 14' gegenüber dem Gehäuse 1 des Elementes isoliert. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse eines Versuchs wiedergegeben, bei welchem die Stromdichte in Abhängigkeit von der Drehzahl der Elektroden gemessen wurde. Dabei zeigt sich, daß die höchste Stromdichte bei einer Drehzahl von 10 Umdrehungen pro Minute erreicht wird, bei höheren Drehzahlen hingegen ein Abfall der Stromdichte zu beobachten war.In Fig. 3 is another embodiment of the Fuel element shown according to the invention. In this element, the electrodes 3 ', 4' are disk-shaped trained and circulate continuously. The disc-shaped electrodes 3 ', 4' are on the Rods 12, 13 mounted corresponding shafts 12 ', 13', which also serve to connect the consumer. The shafts 12 ', 13' are isolated from the housing 1 of the element by means of the insulating body 14 '. Table 2 shows the results of an experiment in which the current density as a function was measured by the speed of rotation of the electrodes. It can be seen that the highest current density at a Speed of 10 revolutions per minute is reached, at higher speeds, however, a drop in Current density was observed.
Bei den Versuchen gemäß Tabelle 1 und 2 wurden Elektroden der Art verwendet, deren Herstellung oben im einzelnen erläutert ist. Dabei waren bei dem Element mit auf und ab bewegten Elektroden die Elek-In the tests according to Tables 1 and 2 electrodes of the type were used, their production above is explained in detail. In the case of the element with electrodes moved up and down, the elec-
bei 0,5 V SpannungCurrent density (mA / cm 2 )
at 0.5 V voltage
Claims (3)
Family
ID=
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