DE1671982C - Brennstoffelement oder batterie fur kontinuierlichen Betrieb - Google Patents

Description

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Gegenstand der vorliegende- Erfindung ist ein Brennstoffelement oder eine -batterie mit porösen Gasdiffusionselektroden und wäßrigen Elektrolyten zum kontinuierlichen Betrieb mit flüssigen oder gelösten Substanzen, die unter sich selbstregelnder Zufuhr an dem Katalysatormaterial der Elektrode unter Bildung von Wasserstoff bzw. Saugstoff umgesetzt werden.

Aus der deutschen Patentschrift I 180 433 ist es bereits bekannt, daß man Wasserstoffdiffusionselektroden in Brennstoffelementen betreiben kann, indem man der Elektrode eine Elektrolytlösung zuführt, welche Natriumboranat enthält.

Aus der britischen Patentschrift 963 254 ist eirv Brennstoffelement bekannt, bei dem eine Lösung von Wasserstoffperoxid durch die poröse Sauerstoffelektrode hindurchgedrückt wird und der übersr'.iüssige Elektrolyt zuasmmen mit dem bei der Zersetzung des Wasserstoffperoxids gebildeten Wasser aus dem Elektrolytraum zwischen den beiden Elektroden abgezogi η wird.

Die bisher bekannten Brennstoffelemente oder Brennstoffbatterien erfordern Vorrichtungen zur Wasserausbringung, zur Spülung der Elektrode, zur Verringerung der Konzentrationspolarisation und zur Ausbringung der entstehenden Inertgase. Diese Vorrichtungen verringern die Betriebssicherheit der Brennstoffelemente. In vielen Fällen müssen die komplizierten Systeme mindestens während einer Anlaufperiode zur Vermeidung von Betriebsstörungen überwacht werden. Die Herstellungskosten und der Raumbedarf der Brennstoffelemente bzw. -battcrien wird durch diese zusätzlichen Vorrichtungen erhöht. Es ergab sich daher die Aufgabe, kompakte einfache Brennstoffelemente zu finden, welche diese Nachteile nil. lit aufweisen und den Leistungsbedarf für Hilfsaggregate vermeiden.

Bei Brennstoffelementen, bei denen dem Katalysatormaterial der Elektrode eine Flüssigkeit zugeführt wird, welche sich unter Bildung von Wasserstoff bzw. Sauerstoff zersetzt, ist eine Dosierung der zugeführten Flüssigkeitsmenge entsprechend dem Verbrauch erforderlich.

Die stetige Zufuhr von flüssigen Brennstoffen zu den Elektroden ist bereits durch die britische Patentschrift 1044 154 bekanntgeworden. Vermittels einer Pumpe wird Jie Flüssigkeit, z. B. Hydrazin, nach dem Vermischen mit flüssigem Elektrolyten durch Düsen mit einem genau festgelegten Durchlaßvermögen in das Innere von doppelseitig wirksamen Verbundelektroden eingebracht.

Die österreichische Patentschrift 218 093 beschreibt eine doppelseitig wirksame Elektrode für die elektrochemische Nutzung von im Elektrolyten vorhandenen unter Gasentwicklung katalytisch zersetzbaren redu zierbaren oder oxidierbaren Substanzen. Die Elektrode enthält in ihrer Mitte eine gröber poröse Ga:, leitschicht, zu deren beiden Seiten je eine katalytisch akti\<. grobporöse Arbeitsschicht angeordnet ist. Diese beiden Arbeitsschichien werden wiederum von feinporösen, gegenüber dc.i im Elektrolyten vorhandenen Substanzen inaktiven Schichten abgedeckt. Die im Elektrolyten befindlichen Substanzen durchdringen unzersetzt die feinporösen inaktiven Schichten und werden h den katalytisch aktiven Schichten unter Gasbildung zersetzt. Das Gas wird über die Gasleitschicht abgeführt. Diese Elektrode hat vor allem zwei Nachteile. Einmal kann nur so viel neue Substanz an die Katalysatorschichten herangeführt werden, wie von der verbrauchten Flüssigkeit aus den feinporösen Deckschichten herausdiffundiert. Zum anderen wird bei Außerbetriebsetzung Gas erzeugt, obwohl nichts mehr verbrauch*, wird. Entweder werden die einzelnen Elektrodenscluchten auseinandergedrängt, oder das Gas strömt ungenutzt in den Elektrolyten.

Es ergab sich daher die Aufgabe, ein Brennstoffelement zu finden, bei dem die Dosierung der zugeführten Flüssigkeitsmenge ohne Verwendung komplizierter Hilfsaggregate auf einfache We\se durch den Verbrauch an Betriebsstoffen gesteuert wird.

Diese Aufgaben werden durch das erfinduiigsgemäße Brennstoffelement oder die Brennstoffbatterie mit porösen Gasdiffusionselektroden und wäßrigem Elektrolyten zurr, kontinuierlichen Betrieb mit flüssigen oder gelösten Substanzen, die unter sich selbstregelnder Zufuhr an dem Katalysatormaterial der Elektrode unter Bildung von Wasserstoffgas bzw. Sauerstoffgas umgesetzt werden, dadurch gelöst, daß in der Leitung oder dem Leitungssystem zwischen dem Vorratsbehälter für den flüssigen Wasserstoffbzw. Sauerstoffträger und der Oberfläche der katalytisch aktiven Elektrodenschicht eine als Pufferra..¹^ für den Gasnachlauf dienende Steigleitung angeordnet ist und daß der Elektrolytraiim mindestens eine Austrittsöffnung für den überschüssigen Elektrolyter enthält.

Die Leitung kann dabei an die Wandung des Vorratsbehälters angeschlossen sein oder kann in der Vorratsbehälter hineinragen. Als einen Teil der Lei tung muß man dabei gegebenenfalls auch den freier Raum vor der katalytisch aktiven Schicht der Elek trodc betrachten, der teilweise oder unter bestimmter Betriebsbedingungen sogar vollständig mit Elektroly gefüllt sein kann. Dieser freie Raum kann bei einigei

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brenn- oberhalb der Reaktionsflüssigkeit im Vorratsbehälter

Stoffelementes ein Kapiuarsystcm in Form einer porösen elektrisch leitenden oder nichtleitenden katalytisch inaktiven Schicht enthalten, die an die katalytisch aktive Elektrodenschicht angrenzt. Flüssige gasabgebende Stoffe werden zweckmäßigerweise im Gemisch mit einem Lösungsmittel zur Einstellung der Konzentration eingebracht. Gelöste Stoffe können in den verschiedenen bekannten Lösungsmitteln gelöst sein.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffelements enthält der Vorratsbehälter einen Wasserstoff- oder Sauerstoffträger, äsr im Elektrolyten gelöst ist, wie er im Elektrolytherrscht, im Gleichgewicht stehen. Das vergrößene Volumen des Betriebsgases bewirkt daher, daß die Flüssigkeit in die Steigleitung zurückgedrückt wird

und damit der Zufluß weiterer Reaktionsflüssigkeit zur katalytisch aktiven Elektrodenschicht unterbunden ist. Das Volumen der Steigleitung ist dann ausreichend, wenn beim vorgegebenen Arbeitsdruck des Reaktionsgases das gesamte überschüssige Gasvolu-

:o men von der Steigleitung und dem Leitungssystem zwischen der Steigleitung und der Elektrode aufgenommen werden kann. Wenn die Zersetzung der in den Poren der Elektrode enthaltenen Restflüssigkeit beendet ist, steigt das Volumen des Beilriebsgases

ßende Trägerfiüssigkeit die Poren der Elektrode stän-

raum des Brennstoffelements enthalten ist. Bei dieser 15 nicht weiter an, "und das Gasvolumen wird infolge Ausfuhrungsform werden daher durch die nachflie- der elektrochemischen Umsetzung an der Elektrode

ständig weiter verringert. Die zunächst gegebenenfalls teilweise mU Gas gefüllte Steigleitung wird wieder mit der aus dein Vorratsbehältr nachfließenden Flüssigkeit gefüllt, und nach entsprechender Verringerung des Gasvoiutnens kann die Flüssigkeit wieder an die katalytisch aktive Elektrodenschicht fließen, der Zyklus der Regelscluvingung beginnt von neuem. Bei ' oher Belastung des Brennstolfelementes treten

_;; mit frischer EkktmU (lösung gespült.

Besonders vorteilhaft ist es.^wenn der Elektrolvt-■m ein poröses Diaphragma enthält, !st das Db-,i-agma feinporiger als die katalytisch aktive Schicht

r angrenzenden Elektrode, so wird die Elektrolytsigkeit im Diaphragma festgehalten: der Kapillar-

i;ck in dem fest an den Elektroden anliegenden IV. 'phragma verhindert - irksnm. gegebenenfalls zusammen mit den feinporigen Deckschichten der Elekiriden. das Austrct-.-n von das in den F.lektrolytr.iuni.

In einer sehr '.weckmiißigen Ausgestaltung des Brennstoffelements sind seine üasräume und sein I kkiiolytraum mit den entsprechenden Räumen ir.ie-s weiteren oder mehrerer Wasserstoff-Sauerstoff ürcnnstofielementefs) veibunden. Wenn die Elektro- ;.!konzentration der TragerlUissigkeit genügend hoch gewählt wird, kann auf diese Weise die Verdünnung 35 verringert wird. d.s Flektrolyten durch das entstehende Reaktions- Ihr ^v'

1 keine Regelsdiv.ingungen auf und

2. fließt ständig der flüssige Reakrionspartner an die Elektrode.

Aber auch bei diesem Belastungsfall ist eine Steig leitung erforderlich. Die Regelwirkung der Steigleitung tritt ein, sobald die hohe elekirische Belastung des Brennstoffelementes ganz abgeschaltet oder stark

wasser in allen angeschlossenen Biennstolfelementen wirksam beseligt werden.

Die als Pufferraum für den Gasnachlauf in der Leitung zwischen dem Vorratsbehälter und der kaialytisch aktiven Elektrodenschicht angeordnete Steigleitung bewirkt die Regelung der Zufuhr der Flüssigkeit zur Elektrode unter den verschiedenen Betriebsbedingungen und ermöglicht es, das erfindungsgemäße Brennstoffelement in einem weiten Belastungsspielraum zu verwenden, wobei der vorgegebene Arbeitsdruck des Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgases an der Elektrode gewährleistet ist. Die Arbeitsweise des Regelsystems wird bestimmt durch die Bedanr. ausreichend, wenn es mindestens so groß ist wie das bis zur völligen Zersetzung der Restflüssigkeit frei werdende Gasvohimen beim vorgegebenen Arbeitsdruck.

Zweckmäßigerweise wird das notwendige Volumen der Steigleitung für ein erfindungsgemäßes Brennstoffelement sowohl für kleine elektrische Belastung als auch für große Belastungen des Brennstoffelementes experimentell ermittelt; das notwendige Volumen ist nicht nur von den verschiedenen Faktoren der Konstruktion des Brennstoffelementes bzw. der Brennstoffbatterie abhängig, sondern auch von der Art und von der Konzentration des Reaktionspartners, von dem verwendeten Lösungsmittel, von der

lasiungsart, mit welcher das Brennstoffelement be- 50 Umgebungstemperatur und dem Arbeitsdruck des ertrieben wird. Bei niedriger Last treten in dem Regel- zeugt¹ α Betriebsgases sowie von der katalytischen

Akti ität der Elektrodenarbeitsschicht bezüglich der Uniict/ung des flüssigen Reaktionspartners und der Fntwicklung des Betriebsgases. Die folgenden Faktoren bewirken eine Erhöhung des notwendigen Vo-

system Regelschwingungen auf. die durch eine Bewegung der Flüssigkeitssäule in der Leitung gekennzeichnet sind. Die Uisache für diese Regelschwingungen liegt darin, daß

1. die Zersetzung des flüssigen Reaktionspartners an der katalytisch aktiven Elektrodenschicht nicht spontan erfolgt und daß

2. das bei einem Zyklus an die aktive Schicht der Elektrode herangeführte Flüssigkeitsvolumen bei seiner Zersetzung mehr Gas erzevigt, als gleichzeitig durch den elektrochemischen Um-

' satz an der Elektrode verbraucht wird.

Der Arbeitsdruck des Meaktionsgases an der Elektrode muß mit dem Förderdruck, der im Gasraum

60 lumens der Steigleitung:

1. Die Vergrößerung der Entfernung der Mündung der Zuleitung von der aktiven Elektrodenschicht und von dem tiefsten Punkt, an dem die Flüssigkeit in dem Elektrodenraum noch an die katalytisch aktive Elektrodenschicht gelangen kann,

2. die Erhöhung der Konzentration des Reaktionspartners in der Flüssigkeit,

3. die Verringerung der katalytischen Aktivität der Elektrodenarbeitssciixht bzw. gegebenenfalls des Zersetzungskatalysators bezüglich der Zer-

Setzung des Reaktionspartners und der Bildung werden die flüssigen Reaktionspartner kontinuierlich des Betriebsgases, stromproportional und unter Gewährleistung eines

4. die Erhöhung der Umgebungstemperatur, ^ν™&^™™ Arbeitsdruckes selbstregelnd nachge-

^b 6 6t' fuhrt. Dabei bleibt der mittlere Arbeitsdruck kon-

5. die Erniedrigung ties Arbeitsdruckes. 5 stant. Besonders bei den Regelschwingungen bei nied

riger elektrischer Belastung des Brennstoffelementes treten noch geringe Druckschwingungen auf. Diese

Beispiel Druckschwingungen können durch eine geeignete Dimensionierung des Brennstoffelementes klein gehal-

Das folgende Ausführungsbeispiel eines crfindungs- io ten werden. Dazu wird zweckmäßigerweise das im gemäßen Brennstoffelementes vermittelt einen Ein- Vorratsbehälter über der Flüssigkeit befindliche Gasdruck von der notwendigen Größe des Volumens der volumen groß gewählt gegenüber dem bei der Regel-Steigleitung für den Gasnachlauf. Es wurde eine Lick- schwingung auftretenden überschüssigen Gasvotrode verwendet, die in der Arbeitsschicht neben dem lumen.

als Stützgerüst verwendeten Carbonylnickel Raney- 15 Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfin-Nickcl als Katalysator enthielt und eine für die Gas- dungsgemäßen Brennstoffelements. Das eigentliche umsetzung wirksame geometrische Elektrodenfläche Brennstoffelement besteht aus der Sauerstoffelekvon 40 cm² aufwies. Die Arbeitstemperatur des trode 1, der Wasserstoffelektrode 2 und den zugeord-Brcnnstoffelementes betrug 23° C, der Arbeitsdruck ncten Gasräumen 3 bzw. 4. Der Elektrolytraum wird des Wasserstoffgases bzw. des Sauerstoffgases betrug ao durch ein feinporöses Asbestdiphragma 5 zwischen 1 atü. Als Eleklroiytflüssigkeit wurde eine 6 n-wäß- den Elektroden 1 und 2 gebildet, in dem die Elekrige Natronlauge verwendet. Der Wasserstoffelck- trolytflüssigkeit, eine όη-Natronlauge, festgelegt ist. trode wurde eine 16°/oige Lösung von Natriumboranat An den Sauerstoffgasraum 3 ist über die Leitung 6 in 6n-wäßrigcr Natronlauge, der mit Raney-Silber und die Steigleitung 7 der Vorratsbehälter 8 angekatalysierten Sauerstoffelektrodc eine 3O°/oige Lö- 25 schlossen, der eine 30%ige wäßrige Lösung von Wassung von Wasserstoffperoxid in Wasser zugeführt. serstoffperoxid 9 enthält. Das Ventil 10 dient zum Für das Brennstoffelement wurde experimentell bei Betanken des Vorratsbehälters 8. An den Wasserkleiner Belastung bis zu 25 mA/cm² das notwendige stoffgasraum 4 ist ebenfalls im unteren Teil des Gas-Volumen der Steigleitung mit einer Größe von 10 cm³ raumes 4 über die Leitung 11 und die Steigleitung 12 c-üViiUeü. üei diesem Volumen und bei der gcnann- 3= der Vorratsbehälter 13 angeschlossen, der mit einer ten Belastung traten Regelschwingungen mit einer Lösung von Natriumboranat in Natronlauge 14 ge-Periodendauer von etwa 3 Minuten auf der Wasser- füllt ist und ebenfalls ein Ventil 15 zum Betanken stoffseite auf. , des Vorratsbehälters 13 mit der Lösung 14 enthält.

Das notwendige Steigleitungsvolumen bei großer An die beiden Gasräume 3 bzw. 4 sind die beiden Belastung des Brennstoffelementes wurde an einer 35 Ventile 16 angeschlossen, die zur Entnahme von aus 10 Brennstoffelementen bestehenden Brennstoff- Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgas und zur Versorgung batterie ermittelt. Zur Bildung von Wasserstoffgas der Elektroden weiterer Brennstoffelemente mit Be- und Sauerstoffgas für die gesamte Balteric wurden triebsgas dienen. Beim Betrieb des Brennstoffelements die genannten flüssigen Reaktionslösungen an die bzw. der Brennstoffbatterie, deren weitere Elektroden entsprechende Elektrode eines einzigen Brennstoff- 40 über die Ventile 16 und die Auslaßleitung 17 mit Gas elemcntes geführt. Das bei der Umsetzung an dieser versorgt werden, läuft zunächst aus den gefüllten Elektrode entstandene Gas wurde auch zur Versor- Vorratsbehältern 8 bzw. 13 die Lösung 9 bzw. 14 gung der übrigen 9 Elektroden der Batterie verwen- über die Leitung 6 bzw. 11 an die Ek Vroden 1 det. Die Brennstoffelemente waren elektrisch in Reihe bzw. 2. Die Flüssigkeit dringt dabei zunächst nur in geschaltet und wurden mit einer Stromdichte von 45 den unteren Teil des Gasraumes ein und wird von 50 mA/cm² bzw. mit einem Gesamtstrom von 2 A den Elektroden angesaugt. Die Elektroden 1 bzw. 2 belastet. Unter diesen Betriebsbedingungen verhielt bestehen jeweils aus einer feinporösen katalytisch insich das mit flüssigem Reaktionspartner versorgte aktiven Deckschicht 20 bzw. 21 und einer grobporö-Brennstoffeiement bezüglich der Regelung wie ein sen katalytisch aktiven Arbeitsschicht 18 bzw. 19. mit 500 mA/cm² belastetes Brennstoffelement. Mit 50 Das Wasserstoffperoxid wird an der Schicht 18 unter wachsendem Strom vergrößerte sich proportional die Freisetzung von Sauerstoff und Bildung von Wasser, Elektrodenfläche, die mit dem flüssigen Reaktions- die Lösung von Natriumboranat in Natronlauge an partner in Kontakt stand. Bei der angegebenen Strom- der Schicht 19 der Wasserstoffelektrode 2 zersetzt, dichte waren etwa 30°/o der Elektrodenfläche der Da die übrigen Elektroden der Batterie durch den Wasserstoffelektrode und auch der Sauerstoffelek- 55 elektrochemischen Umsatz der betreffenden Gase in trode von den entsprechenden Lösungen bedeckt; es den Elektroden eine Saugwirkung ausüben, können wurde ein Volumen von 15 cm³ als notwendiges Vo- die Lösungen noch höher in die betreffenden Gaslumenfür die Steigleitung ermittelt räume eingesaugt werden; es findet dann eine stür-

Bei Verwendung der genannten Lösungen kann inischere Zersetzung der Lösung statt und die Lödas Steigleitungsvolumen auf der Sauerstoffseite etwa 60 sung wird bei entsprechendem Gasdruck aus dem zehnmal so klein gewählt werden wie auf dei Was- Gasraum hinaus in die zugehörige Steigleitung und serstoffseite. Die Zersetzung der Wasserstoffperoxid- weiter in die nachgeschaltete Leitung gedrückt. Die lösung nach der Berührung mit dem vom alkalischen Steigleitung nimmt den kurzzeitig auftretenden ÜberElektrolyten bedeckten Silberkatalysator erfolgt we- schuß an Betriebsgas auf. So wird verhindert daß sentlich verzögerungsfreier als die Zersetzung der 65 das Gas durch die Flüssigkeit hindurch in den Raum hier verwendeten Natriumboranatlösung an Raney- über der Lösung in den Vorratsbehälter dringt und Nickel. dort einen erhöhten Gasdruck aufbaut, dei die Lo-

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffelement sung im Überschuß in den Gasraum drücken würde.

Mit wachsendem Verbrauch des Betriebsgases steigt die Lösung dann in der Steigleitung wieder hoch und gelangt erneut an die Elektrode. Es findet also eine Regelung der Zufuhr der Lösung entsprechend dem Verbrauch statt. Die Deckschichten 20 bzw. 21 verhindern, daß beim Ansteigen des Gasdrucks die Poren der Elektroden freigeblasen werden und das Gas in den Elcktrolytraum eindringt. Die restliche Lösung, welche nach der Freisetzung von Sauerstoffgas bzw. Wasscrstoffgas verbleibt, wird durch den Gasdruck durcli die Poren der Elektroden hindurch in den Elektrolytraum gepreßt. Durch den entstehenden Druck wird die überschüssige Elektrolytflüssigkeit in den Auffangbehälter 22 gepreßt.

Die F i g. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemiißen Brennstoffelements. Die Leitungen 6 bzw. 11 münden ebenfalls in dem unteren Bereich der Gasräume 3 bzw. 4. Die Leitungen sind jedoch nicht wie in F i g. 1 im unteren Teil der Wand der Gasräumc 3 bzw. 4 angeschlossen, sondern treten im oberen Teil der Wand in den Gasraum ein und durchsetzen den Ga;raum in seiner ganzen Höhe. Die Förderung der Flüssigkeit 9 bzw. 14 an die Elektrode 1 bzw. 2 erfolgt auch im Brennstoffelement der F i g. 2 durch Gasdruck. Hierzu ist an den Gasraum 23 über dem Pegel der Flüssigkeit 9 im Vorratsbehälter 8 eine Versorgungsleitung mit einem Reduzierventil 24 und einem Sauerstoffgasbehaltcr 25 angeschlossen. Ober derrs Pegel der FUKsiokeit 14 im Vorratsbehälter 13 ist am Gasraum 26 eine Versorgungsleitung mit einem Reduzierventil 27 und einem Vorratsbehälter 28 für Wasserstoffgas vorhanden. Die überschüssige Elektrolytflüssigkeit wird aus dem Elektrolytraum 5 zwischen den Elektroden über die Leitung 29 abgeführt. Die Elektrolytflüssigkeit kann gegebenenfalls durch weitere zusätzliche Brennstoffelemente geführt werden und spült sie dann mit frischem Elektrolyten, da durch den Zufluß der beiden Flüssigkeiten stets neuer Elektrolyt in den Elektrolytraum 5 eingebracht wird.

F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßcii Brennstoffelements, wobei die nicht näher bezeichneten Bauteile der Darstellung der F i g. 1 entsprechen. Bei dieser Ausführungsform ist die Leitung und die Steigleitung jeweils zu einer gegemeinsamen Steigleitung 30 bzw. 31 vereint, die von dem unter dem Brennstoffelement angeordneten Vorratsbehälter 8 bzw. 13 zu den Elektroden 1 bzw. 2 führt. Das Ende der Steigleitung ist in Form eines Zuleitungsrohrs bis in die Nähe der katalytisch aktiven Schicht der Elektroden 1 bzw. 2 geführt.

Bei längerem Betrieb von beispielsweise gesinterten Katalysatorelektroden kann der Fall eintreten, daß aus den Elektroden kleinere Katalysatorteilchen gelöst werden und zu irgendeinem Zeitpunkt des Betriebs beim Zurückdrücken der Flüssigkeit in die Vorratsbehälter 8 bzw. 14 gelangen. Das Katalysatorteilchen würde dann eine ständige Gasentwicklung bewirken, die zu einem erhöhten Förderdruck über dem Flüssigkeitsspiegel in dem Vorratsbehälter 8 bzw. 13 führt. Aus diesem Grunde sind geeignete Filterkörper in bekannten handelsüblichen Ausführungsformen 32 in die Steigleitung 30 und 31 eingefügt, welche die Katalysatorteilchen zurückhalten.

Die F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffelements. Die beiden Elektroden 1 und 2 sind dabei in der Betriebsstellung des Brennstoffelements horizontal angeord net. Die beiden Vorratsbehälter 8 bzw. 13 werden durch eine gemeinsame Leitung 33 über ein Reduzierventil 34 aus einem einzigen Gasbehälter 35, der mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoffgas, gefüllt ist, mit einem geeigneten Förderdruck versorgt. Die Leitung 11 ist in der untenliegenden Wandung des Gasraums 4 angeschlossen. Die Leitung 6 führt von oben unmittelbar in die Nähe der katalytisch aktiven Schicht der Elektrode 1. Die Leitungen sind

ίο bei dieser Ausführungsform unter Berücksichtigung der Tatsache zu dimensionieren, daß nahezu die gesamte Oberfläche der katalytisch aktiven Schicht der Elektroden 1 und 2 zumindest zeitweise mit der zersetzten Flüssigkeit in Berührung stehen und daher eine wesentlich stärkere Gasentwicklung stattfinden kann, als bei anderen Ausführungsformen des Brennstoffelements.

Die F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform des Brennstoffclements, bei dem die Leitung 6 bzw. 11 in zu-

ao säulichc Katalysatorkörper 36 bzw. 37 führt, die in den Gasräumen 3 bzw. 4 angeordnet sind. Der Förderdruck für die Flüssigkeiten wird ebenfalls durch angeschlossene Gasflaschen erzeugt. Die über die Leitung 29 abgeführte überschüssige Elektrolytflüssigkeit wird einem zweiten Brennstoffelement 38 zugeführt. An die Gasräume 3 bzw. 4 sind Versorgungsleitungen 39 bzw. 40 angeschlossen, die die Gasräumc des Brennstoffelements 38 mit dem entsprechenden Betriebsgas versorgen.

Die F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform einer crfiiidungsgemäßen Brennstoffbatterie, bei der die Wasserstoff- bzw. Sauerstoffclektroden der einzelnen Brennstoffelemente der Batterie jeweils aus einem gemeinsamen Vorratsbehälter 8 bzw. 13 mit den Flüssigkeiten über die beiden Leitungssysteme 41 bzw. 42 versorgt werden. Mit Ausnahme der beiden an den äußeren Enden der Batterie liegenden Elektroden sind jeweils zwei Elektroden zu einer Vcrbundelcktrode zusammengefaßt, und die Trägerflüssigkeit wird in den freien Raum 43 bzw. 44 zwischen den Elektroden eingebracht. Zweckmäßigerweise enthalten die Elektroden neben der Arbeitsschicht eine feinporöse Deckschicht. Die Elektrolyträume können noch mit einem po^rösen, elektrisch nichtleitenden Diaphragma gefüllt sein. An Stelle der in der F i g. 6 abgebildeten Verbundelektroden können auch Elektroden verwendet werden, bei denen sich zwischen den beiden Arbeitsschichten eine grobporöse Gasleitschicht befindet. Die Reaküonsflüssig- ketten werden dann in diese Schicht eingebracht. Die elektrischen Anschlüsse an die einzelnen Elektroden sind nicht bezeichnet; die einzelnen Elemente der Batterie sind in Serie geschaltet. Bei der konstruktive« Gestaltung einer Brennstoffbatterie entsprechend der F i g. 6 ist darauf zu achten, daß die parasitären Ströme möglichst gering gehalten werden. Deshalb werden die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Steigleitungen so gestaltet, daß sie eine Verbindung mit einem sehr hohen ohmschen Widerstand darstellen. Der Widerstand wird noch erhöht, wenn die Steigleitungen selbst im Falle der Regelschwingung hochohmige Gasblasen enthalten. Ein Querstrom innerhalb des Batterieblocks durch die gegebenenfalls mit Flüssigkeit gefüllten Zwischenräume43 bzw. 44 hindurch ist nicht möglich, da Wasserstoffperoxidlösungen eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzen und bei elektrischer Serienschaltung der einzelnen Elemente höchstens Spannungsdifferen-

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^ren von 1 Volt entstehen. Der Elektroden, aum zwiichen zwei Wasserstoffelektroden kann also während des Betriebes ohne Nachteil mit einer 16°/oigen Löiung von Natriumboranat in 6n-wäßriger Natronlauge gefüllt sein.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffelemente bzw. -baUerien ermöglichen eine Spülung der Elektrodenporen zur Verhinderung der Konzentrationspolarisation im frischen Elektrolyten ohne besondere zusätzliche Hilfsaggregate. Dabei erfolgt die Zufuhr der frischen Elektrolytlösung durch die Poren der Elektrode in den Elektrolytraum zwischen den Elektroden proportional dem entnommenen Strom, da die Zufuhr der frischen Elektrolytlösung mit der Zufuhr der zersetzten Flüssigkeit gekoppelt ist und diese ebenfalls proportional der dem Brennstoffelement entnommenen Leistung erfolgt. Gleichzeitig wird durch den stromproportionalen Zufluß frischer Elek-

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trolytlösung eiru Verdünnung durch das Reaktionswasser vermieden.

Eine Inertgasausbringung ist hier nicht erforderlich, da man ohne weiteres flüssige Reaktionspartner auswählen kann, bei deren Zersetzung !„eine Inertgase gebildet werden.

Bei der katalytischen Zersetzung der Flüssigkeit wird Wärme entwickelt, welche zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur verwendet werden kann.

ίο Bei den erfindungsgemäßen Brennstoffelementen ist es möglich, durch einen Überschuß der Wasserstoff abgebenden Flüssigkeit — bezogen auf die mögliche Sauerstoffentwicklung — zu gewährleisten, daß nach Beendigung des Betriebs der wartungsfreien Elemente das Sauerstoffgas vollständig verbraucht ist und die Sauerstoffelektroden das Wasserstoffpotential annehmen. Die Sauerstoffelektroden zeigen unter diesen Bedingungen eine geringe Elektrodenalterung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement oder -batterie mit porösen Gasdiffusionselektroden und wäßrigem Elektrolyten zum kontinuierlichen Betrieb mit flüssigen oder gelösten Substanzen, die unter sich selbstregelnder Zufuhr an dem Kaialysatormaterial der Elektrode unter Bildung von Wasserstoffgas bzw. Sauerstoffgas umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung oder dem Leitungssystem zwischen dem Vorratsbehälter für den flüssigen Wasserstoff- bzw. Sauerstoffträger und der Oberfläche der katalytisch aktiven Elektrodenschicht eine als Pufferraum für den Gasnachlauf dienende Steigleitung angeordnet ist und daß der Elektrolytraum mindestens eine Austrittst! nung für den überschüssigen Elektrolyten enthält.

2. Brennstoffelement oder -batterie nach An- ao Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der F.lektrolytraum ein poröses Diaphragma enthalt.

3. Brennstoffelement nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Gasräume und sein Elektrolv träum mit den entsprechenden Räumen eines weiteren oder mehrerer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffelemente(s) verbunden sin'¹.