DE1671934A1 - Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer Brennstoffbatterie - Google Patents
Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer BrennstoffbatterieInfo
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Description
PATENTANWALT
8 München 21 - GoHbardstr. 8f
Telefon 561762
22.Februar 1968 4988-Il/Gd
Societl GrSnorale de Constructions Electriques et Mecaniques
i:), Paris 16, Avenue Kleber 38 (Frankreich)
"Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer Brennstoffbatterie"
Französische Priorität vom 24.Februar 1967 aus der französischen Patentanmeldung PV 2736 (Beifort)
Die Erfindung betrifft ein Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer Brennstoffbatterie mit einer halbdurchlässigen
Scheidewand, die die Batterie in zwei Halbbatterien, einen anodischen und einen kathodischen Behälter, und den
Kreislauf des Elektrolyten oder des anodischen Teils des Elektrolyten in eine die Zuführung eines Reaktionsmittels
enthaltende geschlossene erste Schleife und den Kreislauf des Elektrolyten oder des kathodischen Teils des Elektrolyten
in eine ebenfalls die Zuführung aines Reaktionsmittela enthaltende geschlossene zweite Schleife aufteilt.
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Es sind bereits Brennstoffbatterien bekannt, in denen
Reaktionsmittel verbraucht werden können, die entweder aus löslichen, regenerierten Oxydations-Reduktionssystemen,
einem löslichen, nicht regenerierten Oxydationsmittel und Reduktionsmittel, einem in dem Elektrolyten nicht löslichen,
gasförmigen oder flüssigen Oxydationsmittel und Reduktionsmittel
oder einem Oxydationsmittel einer dieser Arten und einem Reduktionsmittel einer anderen dieser Arten bestehen.
Dabei ist jedes Reaktionsmittel in einen Elektrolyten emulgiert oder feinverteilt.
Jede Batterie wird in zwei Halbbatfcerien durch eine halbdurchlässige Wand unterteilt, und der die Reaktionsnittel
enthaltende Elektrolyt fließt durch eine dieser Halbbatterien, während der das andere Reaktionsmittel enthaltende Elektrolyt
durch die zweite Halbbatterie fließt.
Der elektrolytische Kreislauf kann offen sein. In diesem
Fall muß über eine Lösungsmittelreserve verfügt werden können, die den Elektrolyten bilden kann. Der elektrolytische Kreislauf
kann auch geschlossen sein. In diesem Fall fließen die Elektrolyten oder die Teile des Elektrolyten wiederholt
um, nachdem sie die kompakte Anordnung durchquert haben.
In dem Fall, daß der elektrolytische Kreislauf geschlossen
ist ι müssen die Elektrolyten oder die Teile des Elektrolyten,
die verschiedene Funktionen erfüllen, am Ende jeden Zyklus
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BAD OFUGINAL
unverändert sein. Die einfachste Form besteht darin, zwei voneinander unabhängige Schleifen zu bilden; die eine für
don anodischen Elektrolyten oder den Teil des Elektrolyten und die andere für den kathodischen Elektrolyten oder den
Teil des Elektrolyten. Jede Schleife durchquert die entsprechende Halbbatterienanordnung und weist eine Einführungsvorrichtung,
die es ermöglicht, das entsprechende Reaktionsmittel in Lösung oder in Emulsion einzugeben, und evtl,
eine Vorrichtung zum Herausziehen der Reaktionsprodukte auf« Die am meisten verwendete Form eines in dieser einfachen Art
geschlossenen Zyklus bringt verschiedene Nachteile mit sich.
Ein erster sehr schwerwiegender Hachteil ist auf das
Vorhandensein der Scheidewand zurückzuführen. Wenn man eine Gxydations-Reduktions-Reaktion als Oxydation von Wasserstoff
durch Sauerstoff oder Hydrazin durch Wasserstoffsuperoxyd betrachtet, erkennt man, daß die allgemeine Reaktion das
:.:itv;irken irgendeiner Säure oder Base nicht eintreten läßt,
sondern daß die elektro-chemische Reduktion des Oxydationsmittels von der Erzeugung von OH""-Ionen (oder dem Verbrauch
von H:-Ionen) begleitet ist, während die Oxydation des Reduktionsmittels von dem Verbrauch einer gleichen Menge
von OH~-Ionen (oder der Erzeugung einer gleichen Menge von
H+-Ionen) begleitet ist. In einem basischen Medium findet
folgender Reaktionsverlauf stattί
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An der Kathode: O2 + 2H2O + 4 Elektronen >
4 OH"
An der Anode: 2H2 + 4 0H~ - 4 Elektronen . 4 H2
allgemeine Reaktion: O2 + 2H2 ^ 2H2O
An der Kathode: 2H2O2 + 4 Elektronen >
4 OH-"
An der Anode: N2H4 + 4 OH" - 4 Elektronen —■ >
H2 + 2Η£0
φ allgemeine Reaktion: 2H2O-2 + N
Das Gleiche trifft für eine große Zahl von Oxydations-Reduktionspaaren
zu. Dies ist gültig in den meisten Medien, ' wenn es sich um basische, Säure- oder Puffermedien handelt.
Zur Vereinfachung wird im folgenden nur ein basisches Medium betrachtet. Die folgenden Ausführungen können jedoch
leicht auf ein Säuremedium oder ein Puffermedium mit einer Puffermischung übertragen werden.
Im Fall einer Batterie, die keine Scheidewand besitzt, findet die Rehomogenisierung des Elektrolyten, der nun
allein vorliegt und eine" Elektrode basisch bereichert und die andere verarmt, örtlich statt dank der natürlichen
oder anderen Konvektionsbewegungen und trots der unmittelbaren Nachbarschaft der Elektroden. Die basische Konzentration
des Elektrolyten ict gleichmäßig. Dieser Vorgang läuft jedoch in einer Batterie mit einer Scheidewand nicht von
selbst ab. Tatsächlich ist jede Konvektionsbewegung
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durch die Scheidewand hindurch verändert. Der einzig mögliche Mechanismus der örtlichen Hehomogenisierung ist das
Wandern von OH"~-Ionen von dem Erzeugerraum zu dem Yerbraucherraum
durch die Scheidewand unter Wirlcung des elektrischen Feldes.. Wie jedoch die obigen teilweisen
Gleichungen für ein ausgetauschtes Elektron zeigen, wird ein OH~-Ion erzeugt oder ausgetauscht. Damit die basischen
Konzentrationen in den Behältern konstant bleiben» ist es nötig, daß die Übertragungszahl-der 0H~-Ionen durch die α
Scheidewand gleich 1 ist. Eine Membrane mit einer vollkommenen anionischen Selektivität gibt es nun nicht. Auf
alle !Fälle zeigt sich, daß aus Gründen der Leitfähigkeit die nicht selektiven Membranen häufig vorzuziehen sind,
Daraus ergibt sich, daß die Transportzahl der OH~-Ionen
im allgemeinen kleiner als 1 ist und eine Kompensation nicht stattfindet. Daher verringert sich im Lauf eines Durchgangs
durch eine Batterie die Konzentration in dem anodischen Elektrolyten, während die Konzentration in dem kathodischen
Elektrolyten erhöht wird. w
In jedem neuen Zyklus wiederholt sich diese Erscheinung, wodurch sich die basische Konzentrationsverschiebung erhöht.
Dies wird durch Erreichen eines stationären Zustandes beendet, in welchem der Durchgang von OH"~-Ionen durch die
Scheidewanddurchwanderung oder durch Diffusion unter dem Einfluß des hervorgerufenen Konzentrationsgradienten
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genau die Erzeugung dieser Ionen in dem kathodischen Behälter und den Verbrauch in dem anodischen Behälter
kompensiert. Die so in der anodischen Schleife erreichte stationäre Konzentration von OEf-Ionen ist häufig so niedrig,
daß die Betriebsbedingungen der Batterie auf uninteressante
Größenordnungen zurückgeführt werden.
Weitere Nachteile liegen in der ständigen Übertragung von Wasser einer Schleife auf die andere infolge der
Solvatation von Ionen, die die Scheidewand durchqueren. Diese Übertragung ändert die Konzentrationen und die Volumen
der Schleifen und erschwert noch das Problem des Herausziehens der Reaktionsprodukte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer Brennstoffbatterie der
eingangs genannten Art zu schaffen, durch das auf LZi se hung
zurückzuführende Konzentrationsunterschiede und dementsprechend auftretende Verluste weitestgehend verringert werden. Diese
Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen Kreislaufsystem
vor allem dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die beiden Schleifen einen stromabwärts von der Batterie liegenden
gemeinsamen Zweig aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreislaufsystems liegt darin, daß durch den beiden Schleifen
gemeinsamen Zweig nur ein Teil der durch jede Schleife strömenden Menge fließt.
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Der gemeinsame Zweig ermöglicht das Mischen des aus der Batterie austretenden Elektrolyten, wodurch demzufolge
die Säure-basische Rehomogenisierung erreicht wird. Ebenfalls v.'ird die Rehomogenisierung des Elektrolyten' hinsichtlich
des Wassers oder allgemeiner des Lösungsmittels und die Rehomogenisierung aller in Lösung befindlicher Anteile
£ev/ährleistet· Eine heterogene Anhäufung ist in einem folgen—:-
den Zyklus daher nicht möglich. Die Konzentration des Elektrolyten an Eingang der Batterie ist die gleiche wie
in jeder Schleife.
'Weitere Merkmale und durch sie erzielte Vorteile gehen
aus der sich auf die Zeichnung beziehenden Beschreibung hervor. In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsiorr;.
oiiies eriindungsgemäßen Kreislaufsystems schematisch
vuranschaulicht.
In der Zeichnung wird die Brennstoffbatterie aus zwei Behältern gebildet: Einem kathodischen Behälter 1, der von
einer halbdurchlässigen Wand 3von einem anodischen Behälter getrennt ist. Ein kathodischer Elektrolyt fließt in der
geschlossenen Schleife 4 um und nimmt durch eine Zuführung ein von einem Reservoir 6 herkommendes Reaktionsmittel
auf. Ebenfalls fließt ein anodischer Elektroljrfc in einer
geschlossenen Schleife 7 um uninimmt durch eine Zuführung
ein von einem Reservoir 9 kommendes Reaktionsmittel auf.
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Pumpen 10 und 11, die durch einen Elektromotor 12 angetrieben werden, gev/ährleisten dieses Umfließen. Die beiden Schleifen
4 und 7 weisen einen gemeinsamen Zweig 13 auf, der stromabwärts der Behälter 1 und 2 liegt» Ein Herausziehen der
Reaktionsprodukte kann beispielsweise durch den Abfluß 14 vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße Kreislaufsystem v/eist noch den
Vorteil auf, daß unabhängig von dem Ort, wo die löslichen Reaktionsprodukte (Wasser, mögliche Mineralsalze, usw...)
gebildet werden, diese an jedem Punkt des Kreislaufs, den man für geeignet erachtet, herausgezogen werden können.
Weiterhin ist ein solcher Kreislauf stabil! Eine örtliche Störung endet dadurch, daß sie sich selbsttätig resorbiert.
Die Mischung der Elektrolyten am Ausgang der Batterie findet auch durch einen Energieverlust statt, der auf die
Heutralisierung oder einfacher den Durchgang in eine andere
Schleife von Reaktionsmitteln zurückzuführen ist, die nicht in der Batterie reagiert haben. Dieser Verlust kann natürlich
minimal gemacht werden, indem die hereingegebenen Reaktions— mittel im Lauf des Durchguerens der Batterie weitestgehend
erschöpft werden. Wenn jedoch der nicht verbrauchte Restbestandteil als zu groß erachtet wird, kann man den Verlust
reduzieren, indem man statt einer vollständigen Mischung der Elektrolyten eine teilweise Mischung durchführt. Die
teilweise Mischung besteht darin, daß man in dem gemeinsamen
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Zweig nicht die Gesamtheit der Mengen jeder Schleife sondern nur einen Teil 1/n dieser Mengen fließen läßt«, Außerdem
gibt man dem Anfangselektrolyten eine Säure-Base-Puffer-Konzentration
(Säure, Base oder Puffermischung), so daß
der herrschende Zustand, die Konzentration des am wenigsten konzentrierten Materials am Eingang der Batterie ausreichend
ist. Unter diesen IJmständen wird der au#&ie Mischung zurückzuführende
Energieverlust nicht mehr als ein Teil l/n des Verlustes, der sich bei der vollständigen Mischung einstellen
würde „
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Claims (1)
1. Kreislaufsystem eines Elektroylten einer Brennstoffbatterie mit einer halbdurchlässigen Scheidewand, die
die Batterie in zwei Halbbatterien, einen anodischen und einen kathodischen Behälter, und den Kreislauf des
Elektrolyten oder des anodischen Teils des Elektrolyten in eine die Zuführung eines Reaktionsmittels enthaltende
geschlossene erste Schleife und den Kreislauf des Elektrolyten oder des kathodischen Teils des Elektrolyten
in eine ebenfalls die Zuführung eines Reaktionsmittels enthaltende geschlossene zweite Schleife aufteilt,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schleifen (4, 7) einen stromabwärts von der Batterie (1) liegenden
gemeinsamen Zweig (13) aufweisen.
2« Kreislaufsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß durch den beiden Schleifen (4» 7) gemeinsamen Zweig (13) nur ein Teil der durch jede Schleife strömenden
Menge fließt.
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|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |