DE1771420A1 - Aufladbares Brennstoffelement - Google Patents

Description

Gatwick Road

Crawley, Suesex/Groebritannitn

Unoer Zeichen: MI115

Aufladbares Brennstoffelement

Die Erfindung betrifft Brennetoffelemente und bezieht sich, insbesondere auf ein Brennstoffelement, in welchem \7a83orstoff, Methan, Kydrasin odei* andere oxydierbare und ionisierbare Gase oder Dämpfe an üor Anode und ein elektrochemisch reduzierbares Metalloxyd an der Kathode verwendet werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines aufl&dbaeeii Brennstoffelements, das folgende Eigenschäften beaitst:

1. Ra läaet sich irontinuierlioh betreiben, ohne daes ββ dabei erforderlich ist, den Elektrolyten au ersetzen.

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2. Beim Aufladen wird das absorbierte Waeeerendprodukt aus dem Elektrolyten auselektrolysiert, wob·! sein· Sauere toffkomponente dazu verwendet wird, den Xathodenrea'itonten oder den Depolarisator erneut zu oxydieren.

3. Es erzeugt eine maximale Energie in einem kleinen Volumen.

4. Eo lässt eich innerhalb eines breiten Umgebungetemperaturbereiches betreiben und

5. So liefert eine maximale Spannung in einer brennstoffartigen Zelle.

Erfindungsgemfiss wird ein Anodonelement in Fora eines porösen gosinterten NiekelZylinders odor -rohrcs, das auf seiner äuseeren Oberfläche mit einem geeigneten Katalysator, wie beispielsweise Platinschwarz, welcher H₂ in H⁺ zu dissoziieren vermag, überzogen worden ist» geschaffen. In ihrer bevorzugten Form besteht die Kethode aus einem gesinterten porösen Nickelrohr, das elektrolytisch mit Nickelhydroxyd imprägniert worden 1st. Nach der Imprägnierung wird das Nickelhydroxyd durch eine anodische Behandlung in den aktivsten Oxydzustand überführt, wobei in diesem Zustand die an der Anode srzeugten Wasseretqfflonen zu Wasser oxydiert werden. Wenn auoh eine porös· Hickelelektrod·, die mit Nickelhydroxyd imprägniert

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1st» das bevorzugte Kathodenelement ist, so können dennoch auoh andere Metalloxyde als Kathoden oder Depolarisator^ verwendet werden, beispielsweise ein Zylinder, der sich aue Quecksilber(II)-oxyd in Mischung mit einem inerten elektrischen Leiter, wie beispielsweise Graphit oder Silber, Silberoxyd, Kupferoxyd oder Manganoxyd, euBamaensetzt. Der Elektrolyt

kann eine wässrige Lösung eines Alkalihydroxyde sein, voriuga weieo eine 35 £ige Lösung von Kaliunhydroxyd, Andere geeignete alkalische Lösung sind Natriumhydroxyd oder Lithiumhydroxyd oder Mischungen der vorstehend erwähnten Hydroxyde·

Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügte Zeichnung näher erläutert.

Durch die Bezugszahl '10 wird ein Stahlbehälter gekennzeichnet, der einen Stahldeckel 12 besitzt, welcher mittels Schrauben H i an dem Behälter befestigt ist. Eine Dichtung 16 aus einen geeigneten Elastomeren ist zwischen den aneinanderliegendtn Seilen des Behälters und seinem Dackel zur Abdichtung des Elements vorgesehen. Die Kathode 18 ist in Form eines hohlen porösen Zylinders aus einem gesinterter. Nickelpulver, welches an die inneren Wände des Behälters 10 gepresst ist, ausgebildet. Dieser Zylinder wird als Kathode in einen geschmolzenen Elektrolyten aus Nickeln!trat (Ki(NO,) ₂.6H₂O) bei ungefähr 80 0 g«* Staltet, wodurch er mit Nickelhydroxyd durch eine katho-

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dieohe elektrolytieche Abscheidung imprägniert wird. Sie Zeit dieser Behandlung sowie die Stromdichte hängen von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von der Porosität, dem Gewicht und dem Volumen. Beispielsweise wird für einen Kathodenzylindor mit einer Sicke von 2,5 mm (0,1 inoh) eine Stromdichte in dor Gröeeenordnung von 15 mk/cm (100 mA pro square inch) zur Erzielung befriedigender Ergebnisse während einer Zeitspanne von 2 Stunden angelegt. Diese Werte sind nur beispielhaft, da sie Jc nach der Kathodenabmessung auegewählt werden. Nach der Ablagerung des Nickelhydrpxyds erfolgt mir Beseitigung von etwa vorhandenem* restlichem oder absorbiertem Nitrat eine Waschung, worauf zu dem höchsten Oxydzustand durch Anodisieren in oinem alkalischen Elektrolyten oxydiert wird. Sie erfindungsgemässe Verwendung einer festen Oxydkathode ermöglicht die Erzielung beträchtlich höherer Stromdichten und höherer Spannungen als dies duroh Oxydation mit Luft oder gasförmigem Sauerstoff, so wie dies in üblichen Brennstoffelementen der Fall ist, möglich ist.

Sie Bezugaeahl 20 bezeichnet die Anode in Form eines hohlen porösen gesinterten Nickelzylinders, weloher auf seiner äuseeren Oberfläche mit einer Schicht 22 aus einem katalytisch wirkenden Mittel, wie beispielsweise Platin oder Palladium, oder zur Erzielung einer minimal en Wasserstoffiberspannung» mit Platinechvare überzogen ist. Sas Anodeneleinent 20 wird von einer Stütze oder einem Tragkreuz in zentraler Stellung

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zu einer öffnung gehalten, weiche an das untere Ende eines Wasserstoffeinlaasrohres 26 angeschraubt ist. DaB Rohr erstreckt sich durch die Öffnung 28 in dem Oberteil oder in der Deckplatte 12 und wird mittels der isolierenden Bttohee sowie der Kuttern 32 festgehalten. Das obere Ende des Rohrea ist mit dem unteren Ende einer Hülse 34 aus einem isolierenden Material verschraubt, an deren oberen Ende das vertikal herabhängende Ende einer ϊ-förmigen Leitung 36 angeschraubt ist. Ein Einlaßβventil 28 sowie ein Ablassventil 40 sind jeweilB an den beiden horizontalen Verzweigungen der Leitung 36 angeordnet. Ein Elektrolyt 42 füllt den Behälter *>0 in einer derartigen Höhe aua, dass die Anode 20 eowie die Kathode 18 vollständig eingetaucht sind. Obwohl vorstehend poröse verp:c083t3 und gesinterte Nickelpxilverkörper als Slektrodenelemsnto geoffenbarb wurden, können auch ausgezeichnete Ergebnisse unter Verwendung poröser verpresster und gesinterter Titanpulverkörper erzielt werden, wobei vorzugsweise wenigstens eine der exponierten Oberflächen dieser Körper in ein Karbid umgewandelt worden ist, so wie dies in der Deutschen

Patentschrift (Patentanmeldung

entsprechend der US-Anmeldung Serial No. 609 731, eingereicht am 17. Januar 1967) beschrieben ist. Der positive Pol des Elements ist mit olner mittels einer Schraube 14 befestigten Sung· 44 und der negative Pol mit einer ahnlionen Zunge 46, 61· an einer Manschette 48 um das Rohr 26 herum angebracht ist, versehen.

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Aus der voretohenden Beschreibung lässt sich der Betrieb des erfindungagemäasen Elementes leicht verstehen.

Bei der Stromentnahme wird Wasserstoff in die Anode 20 durch das offene Einlassventil 38 sowie die Leitungen 36 und 26 eingeleitet, wobei das Auslassventil 40 geschlossen iet. . Der Wasserstoff ereotzt joden in der Anode vorhandenen Elektrolyten und wird durch den Platinkatalysator 22 in die ein» atomige Form H⁺ überführt. Dieser einatomige Wasserstoff entlädt unter der Einwirkung des elektrisohen Feldes, welches durch die Elektroden erzeugt wird, an die Nickeloxydkathode 18, an welcher eine Vereinigung mit einer zur Verfügung stehenden Sauersuoffkomponente unter Bildung von Wasser erfolgt. I>c.be.i wird eine Spannung von ungefähr 1,24 Volt erzeugt, und zwar je nach dem RCaktantonmetall sowie dessen Oxydationszustand.

Hat die Kathode vollständig reagiert, dann wird" das Element dadurch wieder aufgeladen, dasο die Kathode in einem Gleichstromladekreis als Anode geschaltot wird, wobei si oh der erzeugte Sauerstoff mit ihrer Oberfläche unter einer erneuten Oxydation des Depolarisator verbindet. Die erneute Oxydation oder dae Aufladen der Kathode wird derartig gesteuert, da·· bei Polarisationsbedingungen eine Unterbrechung erfolgt, eo daaa kein freies Saueratoffgae erzeugt wird. Während de· Auf-

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Indene let; da» WaF seretof!einlassventil 38 geschlossen, wfihrend. das AusIebsventil 40 geöffnet ist. Auf diese Weise kann der erzeugte Wasserstoff durch das Auslassventil entweichen oder in einer entsprechenden Vorrichtung gegebenenfalls ge- : speichert werden, während die andere Komponente, und Ewar der Sauerstoff, sich mit der Kathode unter einer erneuten Oxydation ihres negativen Reaktanten verbindet. J

Obwohl Waeoerotoff der bevorzugte anodisohe Reaktant ist, können auch andere oxydierbare ßaee unter Erzielung gleicher odor ähnlicher Ergebnisse verwendet werden, beispielsweise üotfran oder Hydrazin.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter AusfUhrungsformen erläutert. Daraus geht hervor, dass Veränderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne dass dabei der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So kann man beispielsweise eine Schicht 11 aus einem geeigneten Isolationsiaaterial, beispielsweise *ua einem geeigneten synthetischen Hare, an dem Boden dos Behältern 10 anbringen, um dessen Kontakt mit dem Elektrolyten zu verhindern.

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Claims (1)

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Patentansprüche

1. Aufladbares Brennstoffelement, gekennzeichnet durch eine poröee Kathode, die eine elektrolytisch realisierbare Sauerstoff liefernde Metallverbindung enthält, eine Anode «it einer katalytisehen Oberfläche, einen Elektrolyten in* Kontakt mit der Kathode und der Anode sowie eine Einrichtung zur Zuführung von Vaseerstoff zu der Anode während der Entladung des Elementes.

2. Brennstoffelement naoh Anspruch 1, dadurch gekennseichnet, dass die Sauerstoff liefernde Metallverbindung In der Kathode aus Nickeloxyd, Quecksilber(II)-oxyd, Silberoxyd, Kupferoxyd oder Hanganoxyd besteht.

3. Brennstoffelement naoh Anspruch 1, daduroh gekennseichnet, dass die Kathode hauptsächlich aus Quecksilber(II)-oxyd und zu einem kleineren Anteil au» Graphit oder Silber als inertes Material mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit besteht.

4. Brennstoffelement naoh Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet» dass der Elektrolyt ein Alkalihydroxyd 1st.

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5. Brenne toff element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus einer wässrigen Lösung au« Kaliumhydroxyd, Natriumhydroxyd, Lithiumhydroxyd oder Mischungen dieser Hydroxyde besteht.

6. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemisch aktive lathodenmaterial in den Foren eines Kathodenträgers aus einem aus Nickel oder Titan» das wenigstens an seiner äusseren Oberfläche in ein Karbid überführt worden ist» bestehenden Material enthalten ist.

7* Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekenneeichnet, dass die Kathode aus einem porösen Kathodenträger aus Nickel und einem Nickeloxyd, das in dessen Poren eingebracht ist, besteht.

8« Brennstoffelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch •in abgedichtetes Gehäuse, einen zylindrischen porösen Kathodentxäger aus einem verpreseten und gesinterten Nickel* pulver, das die innere Oberfläche des Gehäuses auskleidet, ein Nickeloxyd, das in den Foren des !Prägers enthalten iet, eine zylindrische poröse Anode aus einem verpressten und gesinterte^ Nickelpulver, die konzentrisch innerhalb des Eaihodenträger· angeordnet ist, «ine katalytisch· Schioht auf der äusseren Oberfläche der Anode, einen alkalisehen

Elektrolyten

it

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BAD B

-· ίο -

Elektrolyten in dem Gehäuse, wobei dl· Kathode und dl· Anode in den Elektrolyten eintauchen» sowie eine Klnrlohtung aur Zufuhr von Wasserstoff unter Druck In das Ueacnt.

9· Brennstoffelement naoh Anspruch 8, dadurch gekenngeichnst _t dass die Wasserstoff smfförungseinriohtung nfhrand der .Entladung des Elements wirksam 1st und wehrend de» Aufladen· des Elements aueser Betrieb ist.

10. Brennstoffelement nach Anspruch 9» dadurch gekennseionnet, dass eine Ablagevorrichtung vorgesehen ist, durch welohe der während dee Aufladens der Zelle erseugte Wasserstoff entweichen kann.

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