DE1671934C3

DE1671934C3 - Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer Brennstoffbatterie

Info

Publication number: DE1671934C3
Application number: DE19681671934
Authority: DE
Inventors: Bernard Paris Warszawski
Original assignee: Societe Generale De Constructions Electriques Et Mecaniques Alsthom S.A., Paris
Priority date: 1967-02-24
Filing date: 1968-02-22
Publication date: 1977-05-18

Description

4°

Die Erfindung betrifft ein Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer Brennstoffbatterie mit einem halbdurchlässigen Separator, der die Batterie in zwei Halbbatterien, einen anodischen und einen kathodischen Elektrolytraum, und den Kreislauf des Elektrolyten *5 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.

Es sind bereits Brennstoffbatterien bekannt, in denen Reaktionsmittel verbraucht werden können, die entweder aus löslichen, regenerierten Oxydations-Reduktionssystemen, einem löblichen, 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 einem Elektrolyten emulgiert oder feinverteilt.

Jede Batterie wird in zwei Halbbatterien durch einen halbdurchlässigen Separator unterteilt, und der die Reaktionsmittel enthaltende Elektrolyt fließt durch eine dieser Halbbatterien, während der das andere Reaktionsmittel enthaltende Elektrolyt durch die zweite Halhbatterie fließt.

Beispiel 1

Ander Kathode:
O₂ + 2 H₂O + 4 Elektronen -> 4 OH"

An der Anode:
2H +4OH--4 Elektronen -> 4 H₂O

Allgemeine Reaktion:
O₂ + 2 H₂ -► 2 H₂O.

Beispiel 2

An der Kathode:
2 H₂O₂ + 4 Elektronen -v 4 OH"

An der Anode:

jvj j-I j- 4 OH" — 4 Elektronen -> N₂ + 2 H₂O

Allgemeine Reaktion:
2 H₂O₂ + N₂H₄ -> N₂ + 2 H₂O.

Das Gleiche trifft für eine große Zahl von Oxydations-Reduktionspaaren zu. Dies ist gültig m den meisten Medien, wenn es sich um basische, Saure- oder Puffermedien handelt. Zur Vereinfachung wird im folgenden nur ein basisches Medium betrachtet. Die folgenden Ausführungen können jedoch leicht auf ein

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Säuremedium oder ein Puffermedium mit einer Puffer- Der gemeinsame Zweig ermöglicht das Mischen des

mischung übertragen werden. aus der Batterie austretenden Elektrolyten, wodurch

Im Fall einer Batterie, die keinen Separator besitzt, demzufolge die säure-basiscbe Rehomogenisierung

findet die Rehomogenisierung des Elektrolyten, der erreicht wird. Ebenfalls wird die Rehomogenisierung

nun allein vorliegt und eine Elektrode basisch an- 5 des Elektrolyten hinsichtlich des Wassers oder allge-

rsichert und die andere verarmt, örtlich statt dank der meiner des Lösungsmittels und die Rehomogenisierung

natürlichen oder anderen Konvektionsbewegungen aller in Lösung befindlicher Anteile gewährleistet. Eine

und trotz der unmittelbaren Nachbarschaft der lilek- heterogene Anhäufung ist in einem folgenden Zyklus

troden. Die basische Konzentration des Elektrolyten daher nicht möglich. Die Konzentration des Elektro-

ist gleichmäßig. Dieser Vorgang läuft jedoch in einer io lyten am Eingang der Batterie ist die gleiche wie in

Batterie mit einem Separator nicht von selbst ab. jeder Schleife.

Tatsächlich ist jede Konvektionsbewegung durch den Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer

Separator hindurch behindert. Der einzig mögliche Figur näher erläutert.

Mechanismus der örtlichen Rehomogenisierung ist das Die Brennstoffbatterie weist zwei Elektrolyträume

Wandern von OH -Ionen von dem Erzeugerraum zu 15 auf. Ein kathodischer Elektrolytraum 1 ist durch einen

dem Verbraucherraum durch den Separator unter halbdurchlässigen Separator 3 von einem anodischen

Wirkung des elektrischen Feldes. Wie je Joch die obi- Elektrolytraum 2 getrennt. Ein kathodischer Elektrolyt

* gen Gleichungen für ein ausgetauschtes Elektron zei- fließt in der geschlossenen Schleife 4 um und nimmt

l[, gen, wird ein OH -Ion erzeugt oder ausgetauscht. durch eine Zuführung 5 ein von einem Reservoir 6

Z- Damit die basischen Konzentrationen in den Behältern ao herkommendes Reaktionsmittel auf. Ebenfalls fließt

konstant bleiben, ist es nötig, daß die Übertragungs- ein anodischer Elektrolyt in einer geschlossenen

zahl der OH-Ionen durch den Separator gleich 1 ist. Schleife 7 um und nimmt durch eine Zuführung S ein

Eine Membran mit einer vollkommenen anionischen von einem Reservoir 9 kommendes Reaktionsmittel auf.

Selektivität gibt es nun nicht. Auf alle Fälle zeigt sich. Pumpen 10 und 11, die durch einen Elektromotor 12

daß aus Gründen der Leitfähigkeit die nicht selektiven 35 angetrieben werden, gewährleisten dieses Umfließen.

Membranen häufig vorzuziehen sind. Daraus ergibt Die beiden Schleifen 4 und 7 weisen einen gemeinsamen

·>■ sich, daß die Transportzahl der OH-Ionen im auge- Zweig 13 auf, aer stromabwärts der Elektrolyträume 1

: meinen Kleiner als 1 ist und eine Kompensation nicht und 2 liegt. Ein Herausziehen der Reaktionsprodukte

; stattfindet. Daher verringert sich im Lauf eines Durch- kann beispielsweise durch den Abfluß 14 vorgesehen

ι gangs durch eine Batterie die Konzentration in dem 30 werden.

anodischen Elektrolyten, während die Konzentration Das erfindungsgemäße Kreislaufsystem weist noch in dem kathodischen Elektrolyten erhöht wird. den Vorteil auf, daß unabhängig von dem Ort. wo die \ In jedem neuen Zyklus wiederholt sich diese Er- löslichen Reaktionsprodukte (Wasser, mögliche Minescheinung, wodurch sich die basische Konzentrations- ralsalze. usw. ...) gebildet werden, diese an jedem verschiebung erhöht. Dies wird durch Erreichen eines 35 Punkt des Kreislaufs, den man für geeignet erachtet, stationären Zustandes beendet, in welchem der Durch- herausgezogen werden können. Weiterhin ist ein solgang von OH -Ionen durch die Wanderung durch den eher Kreislauf stabil: Fine örtliche Störung endet da-Separator oder durch Diffusion unter dem Einfluß des durch, daß sie sich selbsttätig resorbiert,
hervorgerufenen Konzentrationsgradienten genau die Die Mischung der Elektrolyten am Ausgang der Erzeugung dieser Ionen in dem kathodischen Elektro- ν Batterie findet auch durch einen Energieverlust statt, lytraum und den Verbrauch in dem anodischen Elek- der auf di'· Neutralisierung oder einfacher den Durchtrolytraum kompensiert. Die so in der anodischen gang in eine andere Schleife von Reaktionsmitteln Schleife erreichte stationäre Konzentration von OH - zurückzuführen ist, die nicht in der Batterie reagiert Ionen ist häufig so niedrig, daß die Betriebsbedingun- haben. Dieser Verlust kann natürlich minimal gemacht gen der Batterie auf uninteressante Größenordnungen 45 werden, indem durch geeignete Regelung der Durchzuruckgeführt werden. flußmengen die hereingegebenen Rcaktionsmittel im Weitere Nachteile liegen in der ständigen Über- Lauf des Durchquerens der Batterie weitestgehend tragung von Wasser einer Schleife auf die andere in erschöpft werden. Wenn jedoch der nicht verbrauchte Folge der Solvatation von Ionen, die den Separator Restbestandteil als zu groß erachtet wird, kann mi.n durchqueren. Diese Übertragung ändert die Kon- 5° den Verlust reduzieren, indem man statt einer vollzentrationen und die Volumen der Schleifen und ständigen Mischung der Elektrolyten eine teilweise erschwert noch das Problem des Herausziehens der Mischung durchführt. Die teilweise Mischung besteht Reaktionsprodukte. dann, daß man in dem gemeinsamen Zweig nicht die Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gesamtheit der Mengen jede' Schleife, sondern nur Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer Brennstoff- 55 einen Teil i η dieser Mengen fließen läßt. Außerdem batterie de: eingangs genannten Art zu schaffen, durch gibt man dem Anfangselektrolyten eine Säure-Basedas auf Mischung zurückzuführende Konzentrations- Puffer-Konzentration (Säure, Base oder Puffermiunterschiede und dementsprechend auftretende Ver- schung), so daß der herrschende Zustand, die Konluste weitestgehend verringert werden. Diese Aufgabe zentration des am wenigsten konzentrierten Materials wird bei dem eingangs definierten Kreislaufsystem in ^6o am Eingang der Batterie ausreichend ist. Unter diesen einer Ausführungsform erfindungsgemäß dadurch ge- Umständen wird der auf die Mischung zurückzufühlöst.daßdiebeidenSchleifeneinenstromabwärtsvonder rende Energieverlust nicht mehr als ein Teil l/n des Batterie liegenden gemeinsamen Zweig aufweisen, und Verlustes, der sich bei der vollständigen Mischung daß die Durchflußmengen der Reaktionsmittcl so ge- einstellen würde. In der Figur sind gestrichelt zwei regelt sind, daß die Menge der stromabwärts vorhan- ⁶5 Verbindungen 15 und 16 eingezeichnet, die bezüglich denen Reaktionsmittel vernachlässigbar ist. jeder der Schleifen 4 bzw. 7 einen By-pass des gemein· I Bezüglich einer zweiten Ausführungsform wird auf samen Zweigs 13 bilden und den nicht der Mischung j Anspruch 2 verwiesen. zu unterwerfenden Teil des Elektrolyten führen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

ί i-'i

Patentansprüche:

1 Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer Brenn-Stoffbatterie mit einem halbdurchlässigenι Separator der die Batterie in zwei Halbbattenen, einen anodischen und einen kathodischen Elektrolytraum und den Kreislauf des Elektrolyten oder desι anodischen TeUs des Elektrolyten in eine die Zuführung eines Reaktionsmittels enthaltende f*f^sene erste Schleife und den Kreir.la.uf des Elektrolyten oder des kathodisch?* Teils des Elektrolyten in eine ebenfalls" die,Zuführung, eines Reaktionsmittels enthaltende geschlossene zweite Schleife aufteü , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schleifen (4, 7) einen stromabwärts von der Batterie (1) liegenden gemeinsamen Zweig U^; aufweisen, und daß die Diirchflußmengen der Reaktionsmittel so geregelt sind, daß die Menge des stromabwärts vorhandenen Reaktionsmitteis vernachlässigbar ist. .
2 Kreislaufsystem eines Elektrolyten einer Brennstoffbatterie mit einem Separator, der die Batterie in zwei Halbbattenen, einen anodischen und einen kathodischen Elektrolytraum und den Kreislauf des »5 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 Zufunrung eines Reaktionsmittels enthaltende geschlossene Schleife aufteilt, dadurch gekennzeichnet, üau die beiden Schleifen (4, 7) einen stromabwärts von der Batterie (1) liegenden gemeinsamen Zweig [U) aufweisen, wobei durch den den beiden Schleifen (4, 7) gemeinsamen Zweig (Ii) nur ein Teil der durch jede Schleife strömenden Menge fließt.

Der elektrolytische Kreislauf kann offen sein. In mti Fall muß über eine Lösungsmittelreserve verwerden können, die den Elektrolyten bilden kann. n_Pr elektrolytische Kreislauf kann auch geschlossen J£ Äsern Fall fließen die Elektrolyten oder die TeUe des Elektrolyten wiederholt um, nachdem sie die kompakte Anordnung durchquert haben

Tn dem FaU, daß der elektrolytische Kreislauf geschloSn ist, müssen die Elektrolyten oder die Teile Ξ Elektrolyten, die verschiedene FunKtionen erfüllen, am Ende jedes Zyklus unverändert sein. Die einfachste F™rm besteht darin, zwei voneinander unabhängige Schleifen zu bilden; die eine für den anodischen Elektrolyten oder den Teil des Elektrolyten und die andere fur den kathodischen Elektrolyten oder den Teil des Elektrolyten. Jede Schläfe durchquert die entsprechendeHalbbatterienapordnung und weist eine Einfuhrungsvorrichtung, die es ermöglicht, das entsprechende Reaktionsmittel in Lösung oder m Emulsion einzugeben, und eventuell eine Vorrichtung zum Herausriehen der Reaktionsprodukte auf. Die am meisten verwendete Form eines in dieser einfachen Art ge-SS-nen Zyklus bringt verschiedene Nachteile mit

Ein erster sehr schwerwiegender Nachteil ist auf das Vorhander-sein des Separators zurückzuführen Wenn man eine Oxvdations-Reduktions-Reaktion als Oxyda-S von Wasserstoff durch Sauerstoff oder Hydrazin durch Wasserstoffsuperoxyd betrachtet, erkennt man, daß die allgemeine Reaktion das Mitwirken irgendeiner Säure oder Base nicht eintreten läßt, sondern daß die elektrochemische Reduktion des Oxydationsmittels von der Erzeugung von OH -Ionen (oder dem Verbrauch von HMonen) begleitet ist, wahrend die Oxydation des Reduktionsmittels von dem Verbrauch einer gleichen Menge von OHMonen (oder der Erzeugung einer gleichen Menge von HMonen) begleitet ist fnefnem basischen Medium findet folgender Reaktionsverlauf statt.