DE1796080C3 - Verfahren zur Wartungsfreien und betriebsbereiten Stillsetzung von Brennstoffbatterien - Google Patents

Description

30

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wartungsfreien und betriebsbereiten Stillsetzung von mit gasförmigem Wasserstoff, einem gasförmigen Oxidationsmittel und einer alkalischen Elektrolytflüssigkeit als Betriebsstoffen betriebenen Brennstoffbatterien durch Entfernen eines der gasförmigen Betriebsstoffe mittels eines Gases.

Brennstoffbatterien können u. a. als Notstromaggregate eingesetzt werden. Dabei stehen die Batterien über längere Zeiträume hinweg ohne Wartung, sie sollen aber bei der Inbetriebnahme dennoch in sehr kurzer Zeit ihre temperaturbedingte Nennleistung abgeben. Im unbelasteten und betriebsbereiten Zustand findet jedoch im allgemeinen ein mehr oder weniger großer Verbrauch an Reaktanten statt. Dieser Verbrauch ist in Batterien mit elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffelementen und von der Elektrolytflüssigkeit parallel durchströmten Elektrolyträumen hauptsächlich durch interne elektrolytische Nebenschlüsse bestimmt. Aber auch geringe Undichtigkeiten innerhalb der Batterie können einen Verlust an Reaktanten verursachen. Auf diese Weise kann infolge von Oxidationsprozessen an den Anoden, d. h. den negativen Elektroden, insbesondere solchen mit aktivem Nickel, ein weitgehend irreversibler Aktivitätsverlust auftreten. Dieser Aktivitätsverlust läßt sich zwar durch periodische oder ständige Nachlieferung der Reaktanten, beispielsweise Wasserstoff, in die Elektrodenräume vermeiden, jedoch ist damit ein unnötiger Verbrauch an Reaktanten verbunden. Das hat weiterhin zur Folge, daß die Batterieanlage mit zusätzlichen Regeleinrichtungen und Hilfsorganen, beispielsweise Elektrolysezellen und Spannungsquellen, versehen werden muß.

Aus der US-Patentschrift 33 95 045 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Leistung von H2/O2- Brennstoffelementen bekannt. Dazu wird die Wasserstoffelektrode periodisch reaktiviert, wobei die H2-Zufuhr zu dieser Elektrode unterbunden wird, während der Sauerstoffelektrode weiterhin O₂ zugeführt wird. Zur Entfernung des restlichen Wasserstoffes in der Wasserstoffelektrode kann die Wasserstoffelektrode mit der Sauerstoffelektrode über einen äußeren Widerstand kurzgeschlossen werden. Der in der Wasserstoffelektrode vorhandene Wasserstoff kann aber auch in der Weise entfernt werden, daß bei offenem Stromkreis unter Anwendung eines ausreichenden Druckes Sauerstoff von der Sauerstoffelektrode durch den Elektrolyten zur Wasserstoffelektrode übertritt. Dabei erfolgt dann an der Wasserstoffelektrode eine chemische Umsetzung, d. h. die Verbrennung von Wasserstoff mittels Sauerstoff zu Wasser. Diese Methode ist jedoch praktisch nur bei Brennstoffelementen mit saurem Elektrolyten anwendbar, wobei Platin und Palladium als Katalysatoren Verwendung finden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur wartungsfreien und betriebsbereiten Stillsetzung von Brennstoffbatterien der eingangs genannten Art zu finden, bei welchem die Batterien im Bedarsfall unter Vermeidung der erwähnten Nachteile und ohne Zuhilfenahme äußerer Hilfsmittel in sehr kurzer Zeit ihre temperaturbedingte Nennleistung abgeben können.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei Verwendung von Wasserstoff speichernden Katalysatoren das gasförmige Oxidationsmittel durch Spülung mit Wasserstoff aus den Oxidationsmittelräumen und den positiven Elektroden entfernt wird, wobei das Einlaßventil für das gasförmige Oxidationsmittel geschlossen wird, und daß die Brennstoffbatterie während des Entfernens des gasförmigen Oxidationsmittels an eine äußere Last angeschlossen wird, wobei ein zur Abführung des gasförmigen Oxidationsmittels dienendes Auslaßventil bis zu dessen Entfernen geöffnet bleibt.

In den Wasserstoffelektroden (Anoden) werden vorzugsweise Nickelkatalysatoren, wie Raney-Nickel, eingesetzt. In den positiven Elektroden (Kathoden) findet vorzugsweise Raney-Silber Verwendung.

Durch die Entfernung des gasförmigen Oxidationsmittels, wie Sauerstoff, entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Auftreten von elektrolytischen Kurzschlußströmen in den Batterien während der Stillstandszeit verhindert. Raney-Nickel beispielsweise wird deshalb nicht irreversibel oxidiert, so daß es bei Wiederinbetriebnahme der Batterie seine ursprüngliche Aktivität aufweist. Bei elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffelementen wird außerdem Raney-Silber auf ein negativeres Potential gebracht und somit der beim Ruhepotential eintretende Auflösungsprozeß des Silbers praktisch unterbunden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also sowohl die Aktivität der Anoden als auch die der Kathoden in stillgesetzten Brennstoffbatterien auf einfache Weise über sehr lange Zeiträume hinweg unverändert aufrechterhalten werden. Eine periodische oder ständige Nachlieferung der Reaktanten sowie eine Wartung und Kontrolle der Batterien ist damit nicht mehr erforderlich.

Anhand von Ausführungsbeispielen und einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

In der Figur ist der zeitliche Verlauf der Batteriespannung einer zehnzelligen Batterie mit Raney-Nickel enthaltenden Anoden und Raney-Silber enthaltenden Kathoden bei Verdrängung des Sauerstoffs aus den Kathoden und den Gasräumen für das Oxidationsmittel durch Wasserstoff und umgekehrt dargestellt. Die Kurven 1 und 2 geben jeweils die Spannungswerte einer mit Wasserstoff gespülten Brennstoffbatterie wieder,

wobei gemäß Kurve 1 die Brennstoffbatterie unbelastet u;.d gemäß Kurve 2 beiastet war. Bei belasteter Batterie war nach etwa 7'/2 Minuten die Spannung — gemäß Kurve 2 — bereits auf etwa 1 V abgesunken, so daß der Spülvorgang, d. h. die Zufuhr von Wasserstoff, beendet und die Last abgeschaltet werden konnte. Die Batterie wurde dann über 5 Stunden stehengelassen, dabei waren die Kathodenporen und Gasräume mit Wasserstoff gefüllt. Zur Wiederinbetriebnahme der Batterie wurde das Einlaßventil für den Sauerstoff geöffnet und dadurch der Wasserstoff herausgespült; gleichzeitig wurde die Last eingeschaltet. Die Batteriespannung stieg dabei innerhalb von etwa 30 Sekunden auf ihren ursprünglichen Wert an.

Die Kurve 3 zeigt den Spannungsverlauf einer Batterie, die zunächst über meherere Tage bei 9 V mit 6 A belastet war. Nach Abschaltung der Sauerstoffzufuhr wu/de die Batterie 10'/2 Minuten unter Last mit Wasserstoff gespült. Während dieser Zeit sank die Batteriespannung auf etwa 0,3 V ab und erreichte bei Einschaltung der Sauerstoffzufuhr (0,4 atü Betriebsdruck) und der elektrischen Last ebenfalls innerhalb von 30 Sekunden den Ausgangswert.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren zu beobachtende kurze Einstellzeit der Betriebsdaten wird darauf zurückgeführt, daß während der Periode der Sauerstoffentladung die Dreiphasengrenze in den Kathoden erhalten bleibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur wartungsfreien und betriebsbereiten Stillsetzung von mit gasförmigem Wasserstoff, einem gasförmigen Oxidationsmittel und einer alkalischen Elektrolytflüssigkeit als Betriebsstoffen betriebenen Brennstoffbatterien durch Entfernen eines der gasförmigen Betriebsstoffe mittels eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Wasserstoff speichernden Katalysatoren das gasförmige Oxidationsmittel durch Spülung mit Wasserstoff aus den Oxidationsmittelräumen und den positiven Elektroden entfernt wird, wobei das Einlaßventil für das gasförmige Oxidationsniittel geschlossen wird, und Paß die Brennstoffbatterie während des Entfernens des gasförmigen Oxidationsmittels an eine äußere Last angeschlossen wird, wobei ein zur Abführung des gasförmigen Oxidationsmittels dienendes Auslaßventil bis zu dessen Entfernen geöffnet bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wasserstoffelektroden Nickelkatalysatoren eingesetzt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den positiven Elektroden Raney-Silber eingesetzt wird.