DE2024353C3 - Elektrolytische Zelle - Google Patents

Description

Bei elektrischen Zellen, bei denen ein Alkalihydroxid als Elektrolyt und mittels einer katalytischen Elektrode aktivierter Luftsauerstoff als Depolarisator verwendet werden, wie Luft- oder Brennstoffzellen, steht die katalytische Elektrode ei direkter Berührung mit der Luft, d. h. nicht nur mit Sauer,· off, sondern auch mit Kohlendioxid. Das durch die katalytische Elektrode in die Zelle eindringende Kohlendioxid setzt sich mit dem im Elektrolyt enthaltenen Alkalihydroxid zu Alkalicarbonat um. Als Folge davon müssen verschiedene Nachteile in Kauf genommen werden, wie ein zu hoher Elektrolytverbrauch, Erniedrigung der Ionenleitfähigkeit, Inaktivierung des Anoden-Zinks und Blockierung des Sauerstoffdurchgangs. Zur Beseitigung dieser Nachteile wurde z. B. vorgeschlagen, dem Elektrolyt oder dem Anoden-Zink ein Erdalkalihydroxid zuzusetzen. Im Falle einer Luftzelle wurde dem durch Vermischen von pulverförmigem Zink mit geliertem Alkalielektrolyt hergestellten Anoden-Elektrolytanteil pulverförmiges Calciumhydroxid einverleibt Es wurde ferner versucht, eine aus Zinkhydroxid und Calciumhydroxid bestehende wäßrige Paste auf einen Rost, wie ein Nickelnetz, aufzubringen und den so beschichteten Rost in einer solchen Weise einer Reduktion zu unterwerfen, daß man Calciumhydroxid enthaltendes Zinkmetall erhält. Des weiteren ist aus der DE-OS 19 42111 bekannt, daß die katalytische Elektrode als Wickelelektrode ausgestaltet ist und aus einem Material besteht, welches eine Benetzung der äußeren Elektrodenfläche durch den wäßrigen Elektrolyt ermöglicht Die nach außen austretenden Tropfen des Elektrolyten reagieren daher innerhalb des porösen Abstandshalters mit dem CO] der Luft und bilden innerhalb der Poren des Abstandshalters ein Carbonat Auf diese Weise wird daher nicht nur der Zwischenraum allmählich von Carbonat angefüllt, sondern gleichzeitig wird Elektrolyt verbraucht, was in höchstem Maße unerwünscht ist

Nach der Lehre der FR-PS 15 83 419 ist in die unter Druck stehende Luftzuleitung eine gesonderte Absorptionsvorrichtung eingebaut, die in Form eines mit Natronkalk gefüllten Rohres ausgestaltet ist Dieser Lösungsweg eignet sich nicht für kleine kompakte Zellen, die in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind und mit Atmosphärenluft arbeiten, die ohne künstlichen Ober- oder Unterdruck mit der Katalysatorkathode in Berührung kommt Bei Anwendung der vorgenannten Versuchsmethoden wird das im Elektrolyt absorbierte Kohlendioxid in schwer lösf.cher Form ίο gebunden, wie aus den nachstehenden Gleichungen ersichtlich ist:

2OH- + CO₂-CO₃-- + H₂O Ca(OH)₂ + CO₃- — CaCO₃ + 2 OH-

Auf diese Weise wird verhindert, daß das Kohlendioxid die in der Zelle auftretenden wichtigen Reaktionen stört Aus den vorstehenden Gleichungen erkennt man ferner, daß durch das CO₂ lediglich das Calciumhydroxid angegriffen wird und nicht der Elektrolyt und das Anoden-Zink. Infolge der Bildung von Calciumcarbonat im Elektrolyt oder Anoden-Zink verringert sich jedoch zwangsläufig der in die Zelle eingefüllte Anteil des Elektrolyts oder Anoden-Zinks. Dies bedeutet, daß sich das Verhältnis der gewinnbaren Gesamt-Elektrizitäts menge zum Rauminhalt der Zelle erniedrigt Die Calciumcarbonatbildung findet ferner nach der Absorption des Kohlendioxids im Elektrolyt statt, und das in die Zelle eingedrungene Kohlendioxid kann daher trotzdem die vorgenannte Störungswirkung teilweise aus-

jo üben.

Aufgabe der Erfindung war es, neue elektrische Zellen, insbesondere Luft- oder Brennstoffzellen, die vom vorgenannten störenden Einfluß des Kohlendioxids geschützt sind und lange Zeit elektrischen Strom abgeben, zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst

Gegenstand der Erfindung ist somit eine elektrolytische Zelle, die eine zur Aktivierung von Luftsauerstoff ausgestaltete katalytische Elektrode als Depolarisator, eine Anode und einen wäßrigen Alkalihydroxid-Elektrolyt in einem gemeinsamen Gehäuse mit am Gehäuse vorgesehenem Lufteinlaß für Atmosphärenluft aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen dem Lufteinlaß und der katalytischen Elektrode im Gehäuse eine Auffangvorrichtung, bestehend aus einem dünnen porösen Basismaterial, in welches LiOH durch Imprägnieren und anschließendes Trocknen abgelagert worden ist, fest angeordnet ist Die elektrisch in Zellen der Erfindung gestatten eine

so Belieferung der katalytischen Elektrode mit der vom Kohlendioxid befreiten Luft

Als Auffangvorrichtung für das Kohlendioxid dient Lithiumhydroxid als Absorptionsmedium. Diese Auffangvorrichtung besteht aus einem dünnen, porösen Basismaterial und in dieses Material abgelagertem Lithiumhydroxid. Wenn Luft durch eine solche Vorrichtung geleitet wird, wird sie nicht nur von Kohlendioxid, sondern auch von Wasser und Staub befreit Das Beispiel erläutert die Erfindung.

Beispiel

Es wird ein Faservlies aus Celluloseacetat mit einer Dicke von etwa 0,3 mm in eine gesättigte Lithiumhydroxid-Lösung eingetaucht, die durch Auflösen von etwa 18 g Lithiumhydroxid in etwa 100 ml Wasser bei 100°C hergestellt wurde. Nachdem das Faservlies die Lösung vollständig absorbiert hat, trocknet man das Vlies bei etwa 120° C. Die vorgenannten Verfahrensstufen des

Eintauchens und Trocknens werden viermal wiederholt. Man erhält dabei ein Absorptionsmedium für Kohlendioxid, das Lithiumhydroxid in einem Anteil von 0,035 g/cm² aufweist

F i g. 1 zeigt eine Luftzelle vom Typ AA, die mit dem vorgenannten Absorptionsmedium ausgestattet ist Gemäß F i g. 1 stellt das Absorptionsmedium 11 eine doppelte Umwicklung an der äußeren Oberfläche der zylindrischen katalytischen Elektrode 12 dar, die aus einem Basismaterial aus einer porösen Kunststoff-Folie und einer darauf gebildeten Katalysatorschicht besteht Im von der katalytischen Elektrode 12 gebildeten und durch das Diaphragma 13 von dieser Elektrode abgeschirmten Hohlraum befindet sich als Anoden-Elektrolyt 14 eine durch Vermischen von pulverförmigem Zink und wäßriger Kalilauge hergestellte Paste. Die öffnungen der Kathodenseite der katalytischen Elektrode 12 und des Absorptionsmediums 11 sind in die Kathoden-Abschlußplatte 16 eingefügt und mittels des Isoliermaterials 17 befestigt In den Anoden-Elektrolyt 14 ist die mit der Anoden-AbschluSplatte (nicht gezeigt) verbundene Auffanganoden 15 eingefügt Alle vorgenannten Bauteile befinden sich in dem mit dem Lufteinlaß 19 ausgestatteten und durch die Dichtung 18 von diesen Teilen getrennten Umhüllungsgefäß 20.

F i g. 2 zeigt eine mit dem vorgenannten Absorptionsmedium ausgestattete Brennstoffzelle. Gemäß Fig.2 trägt ein den Wasserstoffeinlaß 23 und den Wasserstoffauslaß 24 aufweisender Rahmen 22 die Brennstoffelektrode 21 (z. B. eine Wasserstoffelektrode). Die Sauerstoffelektrode 25 wird von dem den Auslaß 27 aufweisenden Rahmen 26 getragen. In den von den Rahmen 22 und 26 und den Elektroden 21 und 25 unschlossenen Hohlraum ist als Elektrolyt 28 wäßrige Kalilauge eingefüllt In den die Sauerstoffelektrodo 25 tragenden Rahmen 26 und den den Lufteinlaß 30 aufweisenden Rahmen 29 ist das Absorptionsmedium 31 so eingefügt daß es jederzeit ausgetauscht werden

ί kann.

In einer elektrischen Zelle, in welcher Luftsauerstoff als Depolarisator dient werden zur Gewinnung einer Elektrizitätsmenge von 1 Amperestunde unabhängig vom Anodenmaterial theoretisch 0,2095 Normalliter

ίο Sauerstoff benötigt Diese Sauerstoffmenge entspricht etwa 1,048 Normalliter Luft In der im Beispiel beschriebenen Luftzelle kann bei einer Spannung von 0,9 V eine Elektrizitätsmenge von etwa 2,5 Amp£restunden gewonnen werden. Die für einen solchen Entla-

ii dungsvorgang benötigte Luftmenge wird mit 2,62 Liter errechnet Da der Kohlendioxidgehalt der Luft im allgemeinen 0,03 bis 0,04 Volumprozent beträgt, enthalten 2,62 Liter Luft bei einer Dichte des Kohlendioxids von etwa 2,0 g/Liter 1,6 χ 10-³ bis 2,1 χ 10 -³ g Kohlendioxid. Das etwa 0,035 g Lithiumhydroxid pro cm² enthaltende UiA Abmessungen von 2,7 cm χ 8 cm aufweisende Absorpti->nsmedium ist in der Zelle in Form einer doppelten Umwicklung der katalytischen Elektrode angebracht Der Lithiumhydro-

2") xid-Anteil des Abscrptionsmediums beträgt somit etwa 0,76 £. Da die mit 1,6 χ 10~³ bis 2,1 χ 10-³ g Kohlendioxid theoretisch umzusetzende Lithiumhydroxid-Menge 1,74 χ ΙΟ"³ bis 23 x 10~³ g beträgt verbleibt im Absorptionsmedium sogar nach dem Entladen der

so Gesamt-Elektrizitätsmenge noch genügend Lithiumhydroxid.

Mit 1 Normalliter Luft (CO₂-Gehalt = 0,04 Volumprozent) werden theoretisch 0,85 mg LiOH umgesetzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche;

   1, Elektrolytische Zelle, die eine zur Aktivierung von Luftsauerstoff ausgestaltete katalytische Elektrode als Depolarisator, eine Anode und einen wäßrigen Alkalihydroxid-Elektrolyt in einem gemeinsamen Gehäuse mit am Gehäuse vorgesehenem Lufteinlaß für Atmosphärenluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lufteinlaß (19 bzw. 30) und der katalytischen Elektrode (12 bzw. 25) im Gehäuse eine Auffangvorrichtung (11 bzw. 31), bestehend aus einem dünnen, porösen Basismaterial, in welches LiOH durch Imprägnieren und anschließendes Trocknen abgelagert worden ist, fest angeordnet ist
2. 2..Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangvorrichtung mit dem festen LiOH direkt auf der Oberfläche der katalytisohen Elektrode (12) aufliegt
3. 3. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangvorrichtung aus einem Faservlies besteht