I3rernstoffelemert oder -batterie für kontinuierlichen .Betrieb Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffelement
4
oder eine -batterie
mit porösen Gasdiffusionselektrocen und wästrigen Elektrolyten zum kontinuierlichen
Betrieb mit flissigen oder gelösten 2ubs tanzen, welche dasserstoff bzw. iauerstoff
abgeben.
| Aus der deutschen z''atertscrrift 1.180.433 ist es bereits
bekannt, |
daß man Wasserstoffdiffusicnselektroden in Brennstoffelementen betreiben kann, indem
man der Elektrode eine Elcktrolytlösung zuführt, welche Natriumboranat enthalt.
Aus der britischen Patentschrift 963.254 ist ein Brennstoffelement
| bekannt, bei dem eine Lösung von Was2erstoffperoxid durch die |
| poröse 2auerstoffelektrode hindurchgedrr;ckt wird und der i:iber- |
| schlosige Ulektrolyt zusammen mit dem bei der Zersetzung; des: |
| dasserstoff'peroxid's gebildeten- Wasser aus dem Alektrolytraum |
| zwischen c?en beiden glektroden abgezogen wird. |
Die bisher bekannten Brennstoffelemente oder Brennstoffbatterien erfordern Vorrichtungen
zur Wae erauebringung, zur Spülung der Elektrode, zur Verringerung der KonzentStiorspolarisation
und zur Ausbringung der entstehenden Inertgase. Diese Vorrichtungen
| verrinn ern die Betriebssicher: c°it (-er yirernstorfelenerte.
In |
| vielen FUlen ri,*'ssen die ko^.plizier>ter: ;,ysteme mindcstcr.s
-w.'hrEr:d |
| einer Anl#,:ufper-ioc'.e zur V( rmcidüng von ßetriebsstcrüngen
überwacht |
| J'rerri:;toff- |
| werden. Die Iierstellungsko::ten urd cer iiaumbr;.@a.rf c(
.i, |
| ele-icr:te bz@%:. -batterien durch c';iEIse ZUS@.t jlic-heri
Vorrichtungen |
| erhöht. |
| :s ergab sich daher die Aufgabe, kompakte (infache )i ei:rstol.f- |
| elemerte zu fibc?en, welche diese Nachteile eicht a:ifvE,is.en
und |
| der. Zeisturgsbedarf D'r lIilfsaggreg-lte `ex°eic#en. |
| Bei Brenn=etoff elemeter., bei c; Ener. dem ha talysaternii-teria!
e er |
| @".lektroc e eine-Fl'issigkeit zugef:ihrt "Y#ird, welche sich
unter Bil- |
| dung von ,fassrz=stoff' bz-.,.. ,äuerst;off |
| ivt eine Dosierung |
| der zugefi:nrten |
| entsprechend dem Vez-brauch er- |
| forderlich. |
| '-;s ergab sich daher die. Aufgabe, ein Drerir stoffel.emer
t zu -finden,: |
| bei dein die Dosierung der zugef:@hrten i!l:@ssg.:e.itsm@rgc
ohne, |
| Verwendung komplizierter lilfsacg2 e£ate auf einfache *,leis:E:
durch |
| den Verbrauch an bet:riebsstoffen- gesteuert wird. - |
| fiese Aufgaben werden von rem erfindungsgem-ßen Brernsto.ffelemer |
| oder der Brennstoffbatterie mit porösen: Gas<:iffusior-sele-ktr-oderi |
| und w ssrigem @:lektrolt@#ten zum kontinuierlichen Betrieb
inat |
| flis:-igen teer gelösten >abst@ir_-zen, cif` an eem katzly:
atormaterial |
| der racktrode unter Bilc'.ung von `nasser stoffgas bzw. @@auerstoffgas |
| umgesct :t werden, g f@löst, Pes erfindun1_sger;;'ße
Brennstoffelement |
| .st dadurch gekennzeichnet, e:aß ein Vorratsbehalten für den
MUS- |
| sigen.;cc:erstoff-bzw. ..:quer sto:c'f`tr@3ger i?ber eine Zeitung
oder ein |
| Leitunf°ssysterr mit (er Oberfl:che der katalytisch aktiven-
.@Jek- |
| troCens:chicl:t verbunden i;-t und in der Le? tung eine kteic-leitung |
| geeigneten Volum<:ne angeordnet ist. Die Leitung kann dabei
@jn' die |
| @@arAung ('er, Vol@ratsbeh=:lters angeschlo.-Ien sein Oder
kann in den |
| Vorratsbeh-Tter hineinraecn. .@1s einen 1<=i1 der Leitung
muß man |
| dabei g@Febei:ca@fllu auch der_. freien Raum vor (.er katalytisch |
| altiven ":cl@iclit der LE-i,tx@o=-..- betracnter., welcher
teilweise oder |
| unier bc:stir-,-;t.er, ietriE-bsbecingungen sogar vollct :n(:
ig mit -lE:@tro- |
| lyt gefüllt sein kann. fieser freie i;aum kann auch bei einigen |
| Ausf'..hrungsformen des erfindungsEemii.ßen Brennstoffelementes
noch |
| ein ha?#i.Il@rs#,-steri in fcrm einer porösen elektrisch leitenden
odex |
| nicht -leitenden katalytisch inaktiven Lichicht enthalten,
welche |
| an dic# katalytisch aktive -lelstroE'enschicht a: grenzt. Die
flüssige |
| Lubsta nz :@:ird z@@.eckmäßi;-erweisc im Gemisch mit einem
weiteren |
| Lösung: mittel zur =linstellung der Konzentration eingebracht.
fie |
| gelösten :;ubstan@:en können in der verschiedensten bekannten
Lö- |
| sungsmitteln gelöst sein. ß(=i einer vorteilhaften Ausführungsform |
| de;: erfindungsgemäßen Brei.r-toffelemcnis enthält der Vorratsbe- |
| h;lter einen uasserstoff- oder @-suc@rstofftr:ger@ welcher
in der |
| gleichen jaex tro :.@tfl'@s::gket gelöst ist, wie .i°e auch
in dem |
| :lck t rolytraum des Drern--toffelenerts el.thalten ist. Bei
dieser |
| Fora des Brerrsto''f'el# rrer_ts räch der @:rfnc@ung w(rden
daher durch |
| cic Lachflic@erde Ir:gerfl'.-:ssig@eit die Poren der Elektrode
stUndig |
| mit frischer :@@ektrolytlöung gespült. |
| Vorteilhaft i::t eine nusf%hrungsform des trernstoffele-fealts,
bei |
| dem üer -;lcr-,trol,ytr-aur:: r.;indczster.s eine Musirittsöffnung
für den |
| übersch'3ssiger. :-lek'..ril#,.-ten enthält, welcher cuxch
den 4ufluß der |
| Tr :gf:r-f1*:-:iE;keit entsteht. . |
| Der eaer;trol@;#trau@ c?E::, BrenrrstoffelemEer:ts muß zur
Abfiihl*ung über- |
| flü:.@.ger `1r ;gerflis: i.gkeit einen fl':igen :.lein t rolvten
ent- |
| halten. Besonders vorteilhaft ist eire: norm ('es Brer_-ret.Dffelerne-rts |
| nach (,er :I-rfinc:"rng, bei der cer -:lektr-olytraum einen
f17.`:-, igen |
| i:'lektrol-\rten » er,i,h'-llt, welcher in einem poröser i
iaphragma fest- |
| gelegt ist. 17enn das Diapharagma feinporiger ist als die kata- |
| lytisch aLtive Schicht der angrerzcnden i:lektrode, dann wird
die |
| Elektrolytflü::sigkeit in dem fial-hragna fesgeh:-3.ltcn, und
der |
| Käpillard ruck in c' cm fest an der. i,#:. ektrocer_ anliegenden.
I;iaphragma |
| verhindert wirksam, gegebenenfalls zusammen mit den feinporigen-
- |
| Deckschichten der @:aeictzocen, ras Austreten von Gas in den |
| Llektrolytraum. |
| In einer vorteilh..3ften Ausf'ihrung sform wird das Brernstoffelement. |
| noch für die üasversorgung einer Drennstoff(let-.-troc@e der
Batterie |
| verwendet. Die Austrittsöffnungen c?er :'lc"ktrodengasr'ume
werden |
| dabei mit cen Gasriumen eines oder mehrerer 7asserstoff-bauer- |
| stoff=BrennstoffEleTente rurch Gasleitungen verbunden. |
| Der Zufluß frischer- aektrolytlös:@:ng, welcher mit (@er Zufuhr |
| der Trägerfl:-s -g reit bei dem erfindurggem-ßen isrennt.offelement |
| verbunden ist, kann noch wirksam für c!ie ::piilung cer Elektrolyt- |
| r:*ume weiterer 13rer:nstoffelemente verwen(et werden. Bei
dieser |
| Ausf;:hrunusform ües Brer;ns toffelements ist cie @rle<.trolytaus- |
| trittsöffnung an dem ;:lektroly traum des "lcmentes mit einer
oder |
| mehreren Llc:ktrölyteintrittsöffnungen weiterer Brennstoffelemente |
| verbunden. Die ac--streteude Zlektrolytflüssigkeit fließt dax:n
im |
| .Baralellstrom oder nacheinander durch die i#lektrolyträume
der |
| angeschlosc enen Brennstoffelemente. l;enn c?ie ;@;lei,tr#olytkonzentra#
-. |
| tion der ir,:ii-er-fl ii;::i#-l;eit ger °Ucrc1 hoch gewühlt
>;r°d, kann auf` |
| diele ;eise die Verdünnung des- .:,#lek,trolyten durch das:
ent- |
| stehende iieaktionswas#I--er in allen angeschlossenen Brennstoff- |
| elementen wirksam beseitigt wer,cVen. - |
| Die Lteigleitung geeigneten Volumens, welche; in c:er Leitung |
| zwischen dem Vorr-atsbeh;lter und der katilytiach aktivenaek- |
| trodenschicht angeordnet ist, bewirkt die hegelung der Zufuhr |
| der Fl;ssigkeit zu der Elektrode unter den verschiedenen Be- |
| triebsbedingungen und ermöglicht es, das erfindungsgencße Brenn- |
| stoffelement in einem weiten Belastungsspielraum zu verwenden, |
| wobei der vorgegebene Arbeitsdruck des riasserstoff- bzw. :;suer- |
| stoffga.ses an der Jaektrode gewährleistet -ist. Die Arbeitsweise |
| des Regelsystems wird be.-tiTmt durch die Belastungsart, mit |
| welcher da: Brer:nstoffelet ent betrieben wird. |
| Bei .niedriger Last treten in dem licgel-system iieg,elschwingungen, |
| welche durch eine Bewegung der Flilseigkeitssäule in der Leitung |
| gekennzeichnet sind, auf. Die Ursache für diese Regelschwingungen |
| liegt darin., daß |
| 1. die Zersetzung des fl;':ssigen Heäktionspartners an der
kata- |
| lytisch aktiven raektroderischicht nicht spöntan erfolgt |
| und daß |
| 2. das bei einem Zyklus an die aktive Schicht Gier Zlektrode
heran- |
| geführte Fl;:asgkeitsvoluine-n bei seiner Zersetzung mehr Gas |
| erzeugt, als gleichzeitig durch den -elektrochetaischen Umsatz |
| an der i#1el;troce verbr #urht v,irc' , |
| Dcr Arbeitsdruck cies lieaktioragasee an der Elektrade
muß mit dem |
| Förderdruck, welcher in dem Gasr!jum oberhalb der HedktionsflUsag- |
| keit in dem Vorratsbehälter herrscht, im Gleichgewicht stehen
und' |
| ÜSß vergrMerte Volumen des Bet;iebejgas-es--bewirkt
daher, daß die |
| F1'issigkeit in die 'teigleitung auz@'=ccUeclr:*,cct wird uz_d
driit |
| der Zufluß weiterer 'leaktiorsfl"ssigkr@it zu (:(-r kat-ilytisch |
| aktiven L:yekty'o('erschirht unterbunden i;@t. i,as Volumen
'dur ;:tcig- |
| leitung ist dann ausreichend, wenn das j,es,-:mte Gas- |
| volumen von der Steigleitung und. dem Zeitungssystem zwischen
c er |
| c'te:.gloitung und der _'.-,lew-trocie -iufg(inomren werden
kann bei dem |
| vorgegebenen Arbeitsdruck des "Enn die Zer- |
| setzung der in den Poren der ;,lektrc)c' e en thaltenen ize.st;fl@is:
s:g- |
| keit beendet ist, steigt das Volumen des Betriebsga:;es nicht |
| weiter an und das Gasvolunen wird infolge c).er ele'--,troohezii
sehen |
| Umsetzung an der @le;ktrode ständig werter verringert.. Die
zu- |
| nächst gegebenenfalls teilweise mit Gas gef-:llte xltcigleitung |
| wird wieder mit der a-s dem Vorratsbehälter nachflieLtenden |
| Flüssigkeit gefüllt und nach entsprechender Verringerung des |
| Gasvolumens kann die rlü sEigkeit v,-ieder an die katalytisch |
| aktive Elektrodenschicht fließen und der Zyklus der
Regel- |
| schwingung beginnt von neuem. |
| Bei hoher Belastung des Brennsto.f'fele;-.er"tes treten |
| 1. keine Regelschwingungen auf und |
| 2. fließt st:--ndig: der fltsssige Reaktionspartner an die
-lektrode. |
| Die in Leiteinheit erzeugte Gasmenge ist proportional der |
| F1.:che der aktiven .31ektrodensehicht-, (i-e mit de:a fl:s":igen |
| Reaktionspartner in Verbindung steht. Der Gasverbrauch bei
der |
| elektrochemi.nchen. Umsetzung ar_ der i:lektrode ist proportional |
| de:-, entnom-@enen elektrischen- i2trom. Die :.iez:ge der zuef:hz@ten |
| Flüssigkeit regelt sich daher so- :ein, caß die mit der Pli:ssgket |
| in Ber;;hrung -s-tehende Fl:i.che der aktiven :älei"tz@odc#Wsch-ic-rt
fitem |
| f`1ießencIen_: elektrisc-l=en Strom proportional ist. Auch-bei
.diesem |
| Belastungsfall ist eine Steigleitung geeigneten Volumens erfor- |
| dex@@ich. -Die @@egelwixkunC der @Ac.igleiturg tritt ein, sobald |
| eine: hohe elektri. che iselastung c;es Brernstoffelerentes
ganz |
| A |
| abgesch;iltet odEi stark verringert wird'. Die i.estflUssigkeit, |
| welche noch mit " der katalytisch aktiver, i--"' e.@kti o,-
rr:schicht in |
| Berührung steht, fihrt zu einer weiteren Bildung von 1?eaktions- |
| gas, welche: infolge ges abgechaltcten ;.tromes nicht elektro- |
| chemich umgesetzt v.ird, und das Gasvolumen hinter der _@rl
ek- |
| trode wird erhöht. Der hinter der -rlektrode- befindliche f1
@:s; ige |
| Reaktionspartner wird is,er die Zeitung aus dem -tjektrodenraum |
| gedr;ekt. Die Gaser.twic-<lung hUt noch so lange-an, bis
die |
| Reste der 2lüssigkeit, welche noch in der i@lcktrode er thalten* |
| sind, umgesetzt sind. DasxVolumen der b'iteit:leitung ist aus- |
| reichend zur Regelung der ll@i:,;@@igkeitszufuhr bei hoher
Be- |
| lastung des Brer.r..z:toffelenentes, wein Giese- mindestens
so |
| groß ist, wie das bis zur völligen Zersetzung der ltestflvs.ig- |
| keit frei werdende dasvolumen bei dem vorgegebenen Arbeits- |
| druck. - |
| Zweckmäßigerv,eige wird das notwendige Volumen der Steig- |
| Leitung für ein erfinc#tungsgenäßes Brennstoffelement sowohl |
| für kleine elektrische Belastung als auch für große Belas- |
| tungen des Brennstoffelementes experimenell ermittelt; |
| das notwendige Volumen ist nicht r.ur von den verschiedenen |
| Faktoren der Konstruktion des BrE:nnstoffc:lementes bvw. der |
| ßrenntoffbatterie abhungig, sondern auch vorn der Art und |
| von der Konzentration cses -'ieaktionsprtners, von dem verwen- |
| deten Lösungsmittel, von der Umgebungstemperatur und dem |
| Arbeitsdruck des erzeugten Betriebsgaees, sowie von der |
| katalytischen Aktivität der :,lektrodenarbeitsschcht bez7!g- |
| lieh der Umsetzung des fl;.issgen iieaktioi_opartners :und-
der |
| Entwicklung des Betriebsgases. Die folEe Aden Faktoren bewirken
eine |
| @;rhöhung des notwendigen Volumens der :@teiglE:t,-ng: |
| 1. Die Vergrößerung der "i:i.tfernung cer it;'r_dung der Zuleitung
von der |
| aktiven "letctrocenscbicht und von dem tiefsten Punkt, an dem
die |
| Flifssigkei-t in (cm @.lek urodex:raum noch nn :? ie katalytich
aktive |
| i;lel:troder,schicht --elangen kann, |
| 2. die 2rhöhung der Konzentration Ces Reaktionspartners in
der |
| FlIssigkeit, |
| 3. die Verringerung der katalytischen Aktivität der..Llektröden- |
| arbeitsschIcht b-w. gegebenenfalls des Ursetzungskat;lysators |
| bezüglich der Zersetzung des Reaktionspartners und der Bildung |
| des Betriebsgases, - |
| 4. die l#:rhöhung der Umgebung stenperatur,.- |
| 5. die Lrniedrigung des Arbeitsdruckes. |
| Beispiel |
| -r |
| Das folgende AusfUhrungsbeispiel eines erfin;iun7:3gem,ßen
Brern- |
| stofreementes vermittelt einen indr .clvon der notwendigen
Größe: |
| e.es Volumens der Steigleitung. |
| Es ; rcle eine :;lekl-.rode verwendet, welche in der Arbeits:.chicht |
| neben dem als kl;tützgerist verwenften Carbonylnickel Raney-Nickel |
| als Katalysator. enthielt und eine für die Gasumsetzung wirk:;ame |
| - geometrische .#le#:trodei;fl:che von 40 cm2. Die Arbeitstempera- |
| tur des Brcrnstoi'felemer tes betrug 230C, (:er Arbeitsdruck
des |
| '@@asserstoffgases bzwe des Gauerstoffgases betrug 1- titii. |
| Als Ale; rolytfli:ssgkeit wurde eine: 6 n wässrige Natronlauge |
| verwendet. Der Wasserstoffelektrode wurde eine '16;Aige Lösung |
| von TIatriumboranat in 6 n wässriger Natronlauge zugeführt.
Der |
| Sauerstoffelektrode, welche als Katalysator Rarey-Silber ent- |
| hielt, wurde eine 309@ige Lösung -von Wasserstoffperoxid
in i@-asser |
| zugefi:ihrt. . |
Für ein Brernstoffelement wurde experimentell bei kleiner Belastung, das heißt bei
Stromdichten bis zu 25 mAlem2, das notwendige Volumen der teigleitung mit einer
Größe von 10 cm3 ermittelt. Bei diesem Volumen der 2teigleitung und bei der genannten
Belastung traten Rebelschwingungen mit, einer Periodendauen von etwa 3 Minuten auf
der Wasserstoffseite auf. Das notwendige teigleitungsvolumen bei großer Belastung
des Brennstoffelementes wurde an einer aus 10 Brennstoffelementen bestehenden Brennstoffbatterie
ermittelt. Zur Bildung von wasserstoffgas und Sauerstoffgqs für die gesamte Batterie
wurden diä gerannten
| flüssigen Reaktionslösungen an die entsprechendeyElektrode
eines |
| Brenns offe!ementes gefÜhrt und das bei der Umsetzung an dieser |
Elektrode entstandene Gas wurde aLich zur Versorgung der Übrigen 9: Brennstoffelemente
der Batterie verwendet,
| Die einzelnen Brernstof'felemente waren elektrisch. in Ilehe
ge- |
| schaltet und wurden mit einertroa@äichte von 50 MA/CM
2 bzw. |
mit einem Gesamtstrom. von 2 A belastet. Unter diesen ,Betriebe-
| bedingungen verhielt sich (las mit :°1?'ssrmem xieakiionspartner
ver- |
| sorgte Brennstoffelement bezüglich der Ii-.'egelung wie ein
Brenn- |
| stoffele° -ent, we. ches mit 500 mA/cm 2 belastet Es ergab
sich |
| eine Proportionalregelung, (las heißt, mit wachsendem :)trom |
| vergrößert sich .-proportianal die i:1F:': trouer@fl=iche,
welche mit dem . |
| flüssigen i@ea':tionsp@@rtnex, in Kontakt stand. |
| Bei der angegebenen :romdichte waren etwa 30 % der -ülektroi@er-"- |
| fläche der Wasserstoffelektrode und auch der c.ääeT-stof'felE:ktrode |
| von der entspreche: den Lösungen bedeckt, und es v. rde ein
Volumen |
| von 15 cm' als notwendiges Volumen für eie Steigleitung ermittelt. |
| Bei den genannten Lösungen kann das-Steigleitungsvolumen auf
der |
| Sauerstoffseite etwa 10 x so klein gewählt werden als
auf der |
| Wasserstoffseite. Pie Zerset;:ung der s#lasserstoffpeioxidlöung |
| nach der Berührung mit dem vom alkalischen £lekti-olyten bedeckten |
| Silberkatalysator erfolgt wesentlich verzögerungsfreier als
die |
| Zersetzung der hier verwendeten Natriumboranatlösung an R aney- |
| Nickel: |
| Eiei 'dem: erfindungsgemUßen Brennstoffelenent werden. die
flus: igen - |
| Reaktionspartner kontinuierlich stromproportional und unter
Ge- |
| währleistung eines vorgegebenen Arbeitsdruckes selbstregelnd |
| nachgeführt: Dabei bleibt der mittlere Aibeitz:ruck konstant. |
| Besonders bei een riegelsch,#*ir._gungen bei niedriger elektrischer
De- |
| lasturig des Brerustoffelenentes treten noch geringe yruckschwin- |
| gunger auf. l fiese Druckschwaingungen kUrnen durch Eine geeignete |
| Dimensionierung des Brennstoffelementes klein gehalten werten. |
| Dazu wird zweekmäßgerweise r=as im VorratsbE:h_:ltei. üben
der |
| Fl:ss igr et befindliche Gasvolumen groß gewählt gegenE'bcr-
dem bei |
| der Regelschv@in-,ung @ttftreter" en iüersch"s::igen Gasvolumens- |
| Die Fig. 1 zeigt eine Ausfizhiungsform fies erfindur:gsiE:müßr:n
Brenn- |
| stoffelemente. Das eigentliche F3renri; t:,ffe=ement besteht
aus der |
| Nauerstoftelektro@e 1 und der r,asserstoffel(-trolle 2 und
dem fuge- |
| ordneten @<auerst.-ffgas: Uum bzw. 1@aeseratoffgasr-aum
4. Der @;lektzo- |
| lytraum wird durch ein feinporöses ..1sbE:te@iahagma 5 zwischen
den |
| beiden Elektroden 1 und 2 gebildet, in eem die -!1 ektr:llytfliissigkeit, |
| eine 6 n Natronlauge, festgelegt ict. An äsen : auerstoffgasr-aum |
| ist über die Zeitung 6 unc die -Oteigleitung ? der Vorratsbehälter |
| 8 angeschlosen, welcher eine 30 rige wäsurige Lösung von Wasser- |
| stoffperoxid 9 enthält. ras Ventil 10 cient zum Betanken des |
| Vorratsbehälters 8, An den Wasserstoffgaszaum 4 ist ebenfalls
im |
| unteren Teil.des Gasraums 4. über die Zeitung 11 und die Oteig- |
| leitung 12 der Vorratsbehälter 13 angeschlossen, welcher mit
einer |
| Lösung von xatriumboranat in Natronlauge 14 gefüllt ist und
noch |
| ein Ventil 15 zum Betanken des Vorratsbehälters 13 mit der
Lösung |
| 14 enthält.- |
| An die beider Gasräume 3 bzw. 4 sind die be.c?en Ventile 16
ange- |
| schlossen, welche zur -Entnahme von Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgas |
| und zur Versorgung der Elehroden weiterer hrern: toffelemente-
mit |
| Betriebsgas dienen. Beim Betrieb des Brennstoffelements bzw,
der |
| Brenns=toffbatterie, deren weitere Elektroden über die Ventile
16 |
| und die Auslaßleitungen 17 mit Gas versorgt werden, läuft zunächst |
| aus den gefüllten Vorratsbeh:iltern 8 bzw. 1die Lösung 9 bzw.14 |
| Über die Zeitung 6 bzw. 11 an die I-:lektroc'en 1 bzw. 2. Die |
| Flüssigweit crin#t dabei zun=jchst nur in den unteren Teil
des |
| Gasraumes ein und wird von den ülektroder angesäugt. Die Elek- |
| troden 1 bzw. 2 bestehen jeweils aus einer groben porösen kata- |
| lytisch inaktiven Deckschicht 20 bzw. 21. Das Wasserstoffperoxid |
| wird an der Schicht 18 unter Freisetzung von bauerstoff und
Bil- |
| dung von Wasser zersetzt, und die Lö-ung von Natriumboranat
in |
| Natronlauge wird an der Arbeitsse::rht 19 der i,-asserstoffelektrode |
| 2 zersetzt. I:a die übrigen Elektroden der Batterie durch den |
| elektrochemischen Umsatz der betreffenden Gase in den Elektroden |
| eine Saugwirkung ausiben, können die Lösungen noch höher in
die |
| betreffenen Gasrcxume eingesaugt werden. |
Es findet dann eine stürmischere Zersetzung ('er Lösung statt
und die Lösung wird bei entsprechendem Gasdruck aus dem Gasraum hinaus in das zugehörige
c'Iteigrohr und weiter in die nachgeschaltete Zeitung gedr*#ckt. Las 'Steigrohr
ist dabei zweckmäßigerweise so bemessen,: daß es den kurzzeitig auftretenden überschuss
an Betriebsgas aufnimmt. Auf diese :eise wird verr:indert, dafldas Gas durch die
Flüssigkeit ,hindurch in den Raum über der Lösung in dem Vorratsbuhälter dringt
und dort einen erhöhten Gasdruck aufbaut, welcher die Lösung im Gbersehuß in den
Gasräum drücken würde. Mit wachsendem Verbrauch des Betriebsgases steigt die Lösung
dann in dem Steigrohr wieder hoch und gelangt erneut an die Elektrode. s findet
also eine liegelung der -Zufuhr der Lösung entsprechend dem Verbrauch statt. Die
Deckschichten 20 bzw. 21 verhindern, daß bei dem Ansteigen des Gasdrucks die Poren
der Elektroden freigeblasen werden und das Gas in den rälektrolytraum eindringt,
Die restliche Lösung, welche nach der Freisetzung von jauerstoffgas bzw. t:fasserstoffgas
verbleibt, wird auch hier durch den Gasdruck durch die Poren der i##;lektroden hindurch
in den Elektrolytraum gepreßt. Durch den entstehenden Druck wird die übersch;zssige
@llektrolytfliissig::eit in den Auffangbehälter 22 gepreßt. _
| Die Fig. 2 zeigt eine we-tere Ausführungsform des erfindungs- |
| gem.ßen Brennstoffelemerts. Das F3rerrstoffelenent der rig.
2 |
| unterscheidet sich in f-,@lgenden beiden tunkten von dem Lrenn- |
| stoffel'ement entsprechend Fig.1. |
| Die Zeitungen 6 bzw. 11 münden |
| in dem unteren Bereich |
| der Gaer;iume 3 bzw. 4. Die Leitungen sinä J#stloch nicht wie
in |
| Fig.1 im unieren 'le-il der @.'and der G@sriume 3 bzw, 4 ange- |
| schlossen, sondern treten im oberen Teil dt:r `@'(;and in den
Gas- |
| raum ein unce;urehsetzen cen -Gasraum In -seiner ganzen Höhe. |
| Die Yörderung der Flüssigkeit 9 bzw. 14 an die Alektroce 1 |
| bzwä 2 erfolgt auch in dem T3rernstsffelement der Fig. 2 durch |
| Gasdruck. 'hierzu ist an den Gasraum 23 über dem Pegel der |
| ,Flüssigkeit 9 in dem Vorratsbehälter 8 eine Versorgungsleitung |
| mit 'einem beduzierventil 2'4 und einem Sauerstoffgasbehälter
25 |
| angeschlossen. Jber dem Pegel der 2lUssig eit 14 in dem Vorrats- |
| bchälter 13 ist an dem Gasraum 26 eine Versorgungsleitung mit |
| einem Reduzierventil. 27 und einem Vorratsbehälter @28 für
WasGer- |
| stoffgas angeschlossen. Die, überschüssige LLektrolytflüsoigkeit |
| wird aus: dem Alektrolytrau@5 zwischen beiden Elektroden über
die |
| heitung 29 abgeführt! Die Blektrolytflüssigkeit kann gegebenen- |
falls durch weitere zusätzliche Brennstoffelemente geführt werden und ist dann geeignet
zur Sjülung dieser Elemente mit frischem Elektrolyten, da durch den Zufluß der beiden
Flüssig-
| keiten stets neuer lektrolyt in den Elektrolytraum 5 einge- |
| bracht wird.. |
| Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsge- |
| mäßen Brernstoffelemerts, wobei die nicht näher bezeichneten |
| Bauteile der T:zrstellung <?er Fig. 1 entsprechen:
Bei dieser |
| Ausflhrungsform des Brebnstoffelements ist die Leitung und |
| die Iteigleitung jeweils zu e=her gemeinsamen Gteigleitung |
| 30 bzw. j1. vereint, welche von dem unter dem Brernstoffele- |
| ment ar georcneten Vorratsbebilter B bzw. 13 zu säen -Auktroden |
| 1 bzw. 2 Ahrt. gas Ende der Megleitung ist in Form eines |
| Zuleitungsrohrs bis in die I1dhe der katalytieh aktiven -chicht |
| der ilektroden 1 brw; 2 geführt. |
| Hei längerem betrieb von beispielsweise gesinterten Katalysator- |
| elektradet karr der Fall eintreten, da2 aus den Alektroden |
| kleinere Katalysatorpartikel gelUst v:ez°c@en und zu irgendeinem
. |
| Zeitpunkt des Betriebs beim Zuriickdriicken der Flüssigkeit
in die |
| Vorratsbeh,'.Iter 8 bzw. 13q gelangen. Das Katalysatorteilchen
würde |
dann eine ständige Gasentwicklung bewirken, welche zu einem erhöhten Förderdruck
aber dem F1issigkeitspiegel in dem Vorratsbehi@lter 8 bzw,
13 führt, Aus
diesem Grunde sind geeignete Filter-
| körper-in bekannten handelsüblichen Ausführungsformen 32 in
die |
| Steigleitungen 30 und 31 eingefügt, wecke die hatalysa-to-rkörper |
| zur-';ckhalten. |
| Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausf-',zrungsforn e=nes erfindungs- |
gemäßen Brernstoffelements. Die beiden lektroaen 1 und 2 sind dabei in der Betriebsstellung
des Brennstoffele@nentes horizontal angeordnet. Die beiden Vorratsbehtilter 8 bzw.
13 werden durch eine
| gemeinsame Leitung 33 über ein Re@:uzierventil 34 aus
einem einzigen |
| Gasbeh=älter 35, welcher mit einem Inertgas, beispielsweise
;;tick- |
| stoffgas, gefüllt ist, mit einem geeigneten rör;er:ruck versorgt. |
| Die Leitung 11' ist in der unten lie-ger@;:en »andung des Gasraums
4 |
| angeschlos:En. Die Zeitung 6 führt von oben unmit,ebar in die |
| Nähe der katalytisch aktiven chcht vier _,lektroe:e 1. -ie
yeitungen |
| sind bei- dieser Ausfihxun.gsform Ces erfindungsgemäßen Brei
nstoff- |
| elemer_tu unter Beri:csichtic=ung e;er Tatsache zu virtE_"sionieren,
- |
| daß nahezu die ges,.räte Ober-fl,;iche der kata _ y tisch :t:
tiven #'c icht |
| der @.lektroc;e 1 und 2 zumindest zcitvcise mit @'er zer:-<atzten |
| Fli';. i E@';eit in' Beri;hr-ung siel en und .--,her one wcser.tlich
stärkere |
| Gasentwicklung st.ttf:n(-c:r: k,-,.r.,," als bci -r-(.c-.-en
lusf'%rungsformen |
| des -Br4T:ntoffelemerts.- |
| Die i-'ig. r] zeigt eine itusfi@".x-ur,rsform c-(,s erfin,iurtT@z;emißen
Brern- |
| stoffelements, bei crem die u(::itung: 6 bzw. 11 an
zust.tzliche |
| Ka-t;ilvsator-körncr 36 äzw._"@_7. f'Ihr°19-ve-Iche in den
Gasr<:.umen 3 bzv.-.4 |
| angeordnet sind. Der Färdercruck für die 11lissigkeiten wird
eben- |
| falls durc angeschlossene Gasflaschen erzeugt und die iber
die |
| Leitung 29 abgeführte :_berfliis:;ige ylektrolytflüa: igket
wird |
| einem 2.Brer:nto'fe-: emc:r_t 7,8 zugef'hrt. An die Gasräume
3 bzw, 4 |
| sind noch Versorgungsleitungen 39 bzw. 40 angeschlossen, welche |
| die Gasräume des brer nstoffeiemer ts 38 mit dem entsprechenden |
| Betriebsgas versorgen: |
| nie Fig. 6 zeigt eine Ausfk-'.hrungsform einer erfindungsgemäßen |
| Brennstoffbatterie, bei der die Wasserstoff- bzv. Sauerstoffelek- |
| troden der einzelnen Brernstoffej ewente der Batterie jeweils
aus |
| einem gemeinsamen Vorratsbehälter 8 bz:w. 17
mit den Flüssigkeiten |
| versorgt werden iiber die beiden. Leitungssvstem.e 41 bzw.
4.2. |
| Mit Ausnahme c?er beiden an den iu!#eren -Enden der Batterie
liegenden |
| Llektroden sind 4eweils 2 :lektroden zu einer Verbundelektrode |
| zusarnmengef,ißt und c° e Trägerflüssigkeit wird in-den freien |
| Raum 43 bzw. 44 zwischen üer, Llektroder_ eingebracht. Zweckmäßiger- |
| weise enthalten die Llektroden neben der Arbeitsschtht ebenfalls |
| eine Deckschicht und die -:lektrol3=tr:zume können nöch miteinem |
| porösen, elektrisch nichtleitenden riaphragma gefüllt sein. |
| Anstelle der in der zig. fi abgebildeten Verbundelektroden
können |
| auch -lektrocen vert@et@eet werOer, bei deren sich zwischen
den |
| beiden Arbeits2ehichten eine grobporöse Gasleitsehicht befindet. |
| Die iieaktionsfl-Usigkeiten wexder kann in diese. :chicht einge- |
| bracht. |
| Die elektrischen iinsehl-,s:#e an die einzelnen _#lehtroden
sind nicht |
| bezeichnet; die einzelner. _:? emente Oer ;latterie sind in
Serie ge- |
| schaltet. Bei der konstr.';tiven Gest f#ltung einer Breir.nstoffbatterie |
| entsprechend der Fig. 6 ist darauf zu achten, dal3 -die parasitären |
| Ströme möglichst gering 4 e:?a@ten werden. Deshalb werden die
Ver- |
| bindungsäeityingen zwischen den einzelnen bteigleitungen so
gestal- |
| tet, daZ= sie eine Verbindung mit einem sehr hohen ohm' sehen |
| 'iderstand carstellen. Der `1l*iCerstand wird noch erhöht,
wenn die |
| Steigleitungen selbst im Falle der @aegel s.cht@"ingung hochohmige
- |
| Gasblasen enthalten. -r:in Querstrom innerhalb des Batterieblockes
. |
| durch die gegebenenfalls mit j'liis;:igkeit gefüllten Zwischenräume |
| 43 bzw. 44 hindurch, ist nicht möglich, da die Lösung von Wasser- |
| stöffperoxid-eine sehr geringe Zeitfähigkeit besitzt und bei |
| elektrischer ;!erienschaltung der einzelnen 'k5lemente höchstens |
| Spannungsdifferenzen von 1 Volt entstehen, Der @O ektrodenraum |
| zwischen zwei ;asserstoffelektroden kann also während des Be- |
| triebes ohne Nachteil mit der 16>igen Lösung von Natriumboranat
. |
| in 6 n wissriger Natronlauge gefüllt sein, |
| Die erfindungsgemäßen Brennstoffelemente- bzw. batterien er- |
| möÜlichen eine pizlung_ euer Elektroöenporen zur Verhinderung
der |
| Konzentrationspolarisation im frischen "lektrolyt-en ohne besondere |
| zusätzlichen Hilfsaggregate. Dabei erfol"t die Zufuhr der frischen |
| islektro15rtlösung durch die Poren der Elektrode in den @:lektrolytraum |
| zwischen den Elektroden proportional dem entnonmer:ez: ütrom,
da die |
| Zufuhr der frischen @-,-lektrolytlösung mit der 'Zufuhr -der
zer- |
| setzten Fli:ssigkeit gekoppelt ist und diese ebenfalls proportional |
| der dem Brennstoffe' emert entnommenen Leist:ing erfolgt. Gleich- |
| z z _CI k t r |
| eitig wird durch eien stromproportionalen Zufluß frischer e
0 |
| lytlösung eine Vcrcünnung durch das ieaktionswaseer vermieden. |
| .linE :::incrtgasausbringung Ist hier niehterä°@°,:r31@th,
da man ohne |
| weiteres fli'ssige tcktionspartner @:usw*;r:lc.>n kann, bei
vieren |
| Zersetzung keine Inertgase gebildet werden. |
| Bei der katalytischen Zersetzung der Flts-igkeit -Y,;ird #7äsme
ert- |
| wiekelt, welche zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur
ver- |
| wendet werden kann. |
| Bei den erfindungsgemäßen Brennstoffelementen ist es möglich, |
| durch einen nerschuß der dasserstoff abgebenen Flüssigkeit |
| bezogen auf die mögliche Sauerstoffentwicklung zu gewährleisten, |
| daß nach Beendigung des Betriebe der wartungsfreien r;lemente
das |
| Sauerstoffgas vollständig -,!-rbraucht ist und. die bauerstoff- |
| elektroden das iVasserstoffpotential annehmen. Die Sauerstoff- |
| ele@:troden zeigen unter diesen Bedingungen eine geringe Llek- |
| trodenalterung. |