DE2801619A1 - Energieumwandlungsvorrichtung - Google Patents

Energieumwandlungsvorrichtung

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DE2801619A1
DE2801619A1 DE19782801619 DE2801619A DE2801619A1 DE 2801619 A1 DE2801619 A1 DE 2801619A1 DE 19782801619 DE19782801619 DE 19782801619 DE 2801619 A DE2801619 A DE 2801619A DE 2801619 A1 DE2801619 A1 DE 2801619A1
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anolyte
catholyte
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DE19782801619
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Jun Ralph Zito
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Gel Inc
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    • HELECTRICITY
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    • HELECTRICITY
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Description

  • Beschreibung
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Energieumsetzung bzw. -umwandlung und insbesondere auf ein wiederlad bares und/oder betankbares Leistungsabgabe- und Energiespeichersystem mit einer hohen spezifischen Leistung und hohen spezifischen Energie.
  • BeieSergritn Anztlvon transportablen elektrischen Leistungsabgabe- und Energiespeichereinrichtungen einschließlich von Kraftfahrzeugen, Golfwagen, Gabelstaplern, Gartengeräten, Konstruktionsanlagen, transportablen Motoren und Beleuchtungseinheiten erfordert der Vorteil von Fe/Fe+3 hier eine lange Lebensdauer und eine zuverlässige Einrichtung für eine hohe spezifische Leistungsabgabe und für die Eigenschaft einer hohen spezifischen Energiespeicherung ("spezifischn hat hier eine Bedeutung im Hinblick auf das Gewicht). Energiespeichersysteme mit geringen Kosten und langer Lebensdauer werden bei den obigen Anwendungsfällen benötigt und außerdem in Verbindung mit Datenprozessoren und Instrumenten sowie in Verbindung mit einer Belastungsabflachung. Der Stand der Technik einschließlich der viel versprechenden gegenwärtigen R&D-Versuche ist in der Druckschrift Chemical Engineering magazine", Seiten 48 bis 50, vom 20.1.75, unter der Bezeichnung "New Batteries Are Coming" von Iammartino zusammengefaßt dargestellt. Die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen umfassen die Verwendung von elektrochemischen Zink-Nickel-Oxid-, Metall-Luft (Sauerstoff)-, Natrium-Schwefel-, Lithium-Sulfid-, Zink-Chlorid- und gemäß eigenen Versuchen Eisen-Eisenchlorid-Paaren.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein solches System zu schaffen, das frei von den Nachteilen der bekannten Systeme ist.
  • Überdies soll dabei mit einer geringen Anfangskapitalausstattung ausgekommen werden.
  • Ferner soll mit geringen Betriebskosten ausgekommen werden können.
  • Außerdem soll der Kapitaleinsatz während einer unendlich langen Zeitspanne vorgesehen werden können.
  • Außerdem soll eine weitgehend störungsfreie Betriebsweise und Handhabung ermöglicht sein.
  • Ferner soll eine sofortige "Betankung" ermöglicht sein.
  • Außerdem soll eine elektrische Wiederaufladung ermöglicht sein.
  • Darüber hinaus soll die Forderung nach einem komplizierten chemischen Speisenetzwerk oder einer komplizierten chemischen Vorratshaltung vermieden sein.
  • Ferner soll ein geruchsloser Betrieb ermöglicht sein.
  • Außerdem soll bei niedrigen Gefriertemperaturen gearbeitet werden können.
  • Uberdies soll eine vollständige Entladung ohne eine Beschädigung erfolgen können.
  • Ferner soll eine einfache Anzei#eeinrichtung dafür vorhanden sein, die verbleibende Energie anzuzeigen.
  • Außerdem soll eine unendlich lange Ladungsfesthaltung ermöglicht sein.
  • Ferner soll bei abgeschaltetem System keine Speisespannung bzw. Speiseleistung mehr an Anschlußklemmen verfügbar sein, so daß das betreffende System elektrisch sicher zu handhaben ist, wenn es "unwirksam" gemacht ist.
  • Darüber hinaus sollen extrem reichlich vorkommende und keine Verunreinigung hervorrufende Materialien verwendet werden können.
  • Schließlich soll eine Energieumwandlungsvorrichtung geschaffen werden, bei der einfache Herstellverfahren angewandt werden können.
  • Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung.
  • Genäß der Erfindung ist ein Energieumwandlungssystem geschaffen, das an Ort und Stelle als Sekundärbatterie bzw. Sammlerbatterie wieder aufladbar oder alternativ augenblicklich betankbar ist, und zwar in Form einer festen Flüssigkeits-Brennstoffzelle. Dieses System enthält eine Kathode und im geladenen Zustand einen festen Anodenbrennstoff, umfassend Eisen, Zink und/oder Nickel, und einen flüssigen Sauerstoffträger, umfassend Eisenchlorid, Zinkchlorid und/oder Nickelchlorid. Bei der Leistungsabgabe (Entladung) laufen bei alleiniger Verwendung von Eisen folgende Reaktionen ab: An der Anode: Fe -+ Fe+++ 2e, was zu 0,44 V führt; an der Kathode: Fe++++ e4 Fe++, was zu 0,75 V führt.
  • Die Gesamtreaktion lautet: Fe + 2FeCl3 # 3FeCl2, was insgesamt zu einer Spannung von 1,2V führt.
  • Diese Reaktionen sind für Ladezwecke reversibel. Der Sauerstoffträger wird dauernd umgewälzt; eine direkte chemische Reaktion zwischen dem Sauerstoffträger bzw.
  • Oxydationsmittel und dem festen Brennstoff durch physikalischen Kontakt in dem vollständig geladenen oder teilweise geladenen System wird durch eine mikroporöse Membranbarriere zwischen dem Sauerstoffträger und den Brennstoffen derart begrenzt, daß Reaktionen zwischen den betreffenden Stoffen überwiegend elektrochemisch ablaufen.
  • Das System stellt einen Feststoff/Flüssigkeits-Energiewandler dar, bei dem der Metallbrennstoff oder das Reduktionsmittel in einer festen Form innerhalb einer Elektrodenanordnungspatrone des Reaktors gespeichert ist. Der Anti-Brennstoff oder Sauerstoffträger ist eine Flüssigkeit, die durch die Umwandlungsanlage mittels einer Elektropumpe umgewälzt wird. Die betreffende Elektropumpe wird von einem sehr geringen Anteil der elektrischen Abgabeleistung der Umwandlungsanlage während des Betriebs gespeist.
  • Die elektroden für die eine Spannung bzw. Leistung erzeugenden Zellen befinden sich innerhalb einer Umwandlungsanlage, die aus einer Vielzahl von Anolyt-und Katholyt-Abschnitten bzw. aus Abschnitten mit einer Anodenflüssigkeit: bzw. einer Kathodenflüssigkeit besteht, enthaltend Zellen, die elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind, sowie eine Fluid-Parallelanordnung, die lediglich dann aktiviert ist, wenn der Sauerstoffträger bzw. das Oxydationsmittel in die Zellen eingeführt wird. Wenn das System in Betrieb ist und eine Spannung bzw. Leistung an eine externe Last abgegeben wird, wird der feste Brennstoff oxydiert, löslich gemacht und in einen umlaufenden flüssigen Anolytenstrom transportiert. Das in einem polaren, vorzugsweise wässrigen Lösungsmittel gelöste Oxydationsmittel bzw. der betreffende Sauerstoffträger zur Bildung eines Katholyten wird beständig umgewälzt. Eine derartige Umwälzung umfaßt die ständige oder halbständige Ableitung aus einem Vorratsbehälter, der vorzugsweise das zehnfache Volumen des kombinierten Volumens der Katholyt-Bereiche besitzt, und zwar für eine maximale Energiedichte des Systems.
  • In Abhängigkeit von den Anwendungsforderungen kann in der Struktur der Umwandlungsanordnung im geladenen Zustand das Äquivalent einer einzigen oder vieler Füllungen von Sauerstoffträgertanks gespeichert sein.
  • Die Hinzugabe von Nickel salz und/oder Zinksalz als Gesamt- oder Teil-Ersatz des Eisen-Anolytsalzgehalts verringert die Oxydations- (Korrosions ) -Verletzlichkeit von Eisen und reduziert die Polarisation. Nickel und Zink liefern dieselben anodischen Mehrfachvalenzzustände wie Eisen, weshalb sie bei der elektrochemischen Leistungserzeugung in derselben Weise teilnehmen wie Eisen, und zwar als Reduktionsmittel. In Anwendungsfällen, in denen die Oxydation von Eisen ein Problem sein kann, können Oxydations-Verhütungsmittel dem anolytischem Elektrolyten anstelle der Nickelverbindung hinzugesetzt werden. Diese Mittel können eines oder mehrere Citrat-, Acetat-, Oxalat- und Tartratverbindungen der Alkalimetalle oder Ammoniak enthalten. Alle diese Verbindungen sind dabei in Wasser und Alkohol löslich; es sind leicht komplexe Ferroverbindungen, ohne die Elektrolytleitfähigkeit nennenswert zu beeinflussen.
  • Ein Fühler beispielsweise Sensor kann auf die Anolyt-und/oder Katholytströmungen angesetzt werden, um den spezifischen Widerstand oder die Dichte der Jeweiligen Strömung durch optische oder elektrische Einrichtungen zu bestimmen. Derartige Parameter sind Maße des Ladungszustands (oder Entladungszustands) des Systems.
  • Die Charakteristiken des Systems sind folgende. Der Katholyt wird während des Betriebs mit einer nahezu konstanten Strömungsrate unabhängig vom Umwandlungs-Abgabeleistungspegel umgewälzt. Da keine Stoffe aus dem System ausgestoßen werden und da keine Stoffe verbraucht werden, bleibt das gesamte Fluidvolumen vom Anfang bis zum Ende einer Ladung im wesentlichen gleich.
  • Der Katholyt-Vorratsbehälter kann abgenommen werden und durch einen Behälter bzw. Tank ersetzt werden, der neue, regenerierte Fluids enthält, oder aber der Vorratsbehälter kann von verbrauchtem Katholyt entleert oder mit frischem Katholyt wieder gefüllt werden. Wenn die Anordnung bezüglich ihres gespeicherten Kraftstoffs erschöpft bzw. geleert worden ist, kann sie für eine ~Wiederaufladung" herausgenommen und innerhalb einiger weniger Augenblicke durch eine frisch geladene Patrone (oder durch ein vollständiges System) zur Ausführung eines Dauerbetriebs der Vorrichtung ersetzt werden. In den meisten Anwendungsfällen genügt die in einer Patrone bzw. Kassette gespeicherte Ladung oder der dort gespeicherte Kraftstoff für eine Anzahl von Nachfüllungen des Sauerstoffträger-Behälterfluids.
  • Nachstehend sind einige Anwendungsbeispiele des Systems gegeben. Die angegebenen Gewichte und Größen schließen externe Batterie- oder Pumpmotoren nicht ein.
  • (A) Kleine transportable Werkzeuge und herkömmliche Außenbord-Elektroschiebermotoren mit einem Leistungsbereich von 200 bis 300 W können von einem System versorgt werden, welches eine Spannung von 12V und einen Strom von 15 bis 20A liefert, und zwar während Betriebszeiten von etwa sechzehn Stunden (4kWh) je Patrone bei einer Dauer von etwa zwei Stunden (500 Wh) je Katholyt-Nachfüllung. Dies bringt eine mittlere Leistung von etwa 250 W mit sich. Die Größe der Umwandlungsanlage läge etwa bei zwölf Pfund (entsprechend 13 lbs#,und der Raumbedarf wäre etwa 2266 cm3 (entsprechend 0,08 Kubikfuß). Die Größe des Behälters läge etwa bei 14 Pfund (entsprechend 15 lbs) bei einem Raumbedarf von etwa 27 dm3 (entsprechend 1,16 Kubikfuß), das sind 4,9 1 (entsprechand 1,3 Gallonen). Für einen Dauerbetrieb bei 250 W muß das Fluid alle zwei Stunden ergänzt werden, und die Wiederaufladbare Zellenanordnungspatrone muß alle sechzehn Stunden aufgefrischt werden.
  • (B) Hochleistungs-Industriewerkzeuge, auf dem Rasen fahrende Traktoren und größere elektrisch betriebene Boote laufen bei einem Leistungspegel von 2 kW. Diese Leistungspegel können auf verschiedene Betriebsarten abgestimmt sein, wie beispielsweise auf folgende: Betriebsart 1: Unter der Annahme einer Betriebsdauer von 16 Stunden pro Umwandlungsanlage und einer Dauer von 2 Stunden pro Fluidbehälter führen Betriebszeiten der Patrone von etwa 16 Stunden (32 kWh) und des Sauerstoffträgers von etwa 2 Stunden (4 kWh) zu einer mittleren Leistung von etwa 2 kW. Damit können ein etwa 89 Pfund (entsprechend 98 lbs) schwerer und einen Raumbedarf von etwa 17 dm3 (entsprechend 0,6 Kubikfuß) besitzender Reaktor bzw. Umwandler und ein etwa 107 Pfund (entsprechend 118 lbs) schwerer und einen Raumbedarf von etwa 35 dm3 (entsprechend 1,25 Kubikfuß), d.h. etwa 37 1 (entsprechend 10 Gallonen) besitzender Katholyt-Vorratsbehälter verwendet werden.
  • Betriebsart 2: Unter der Annahme von 4 Stunden pro Umwandlungsanlage, von 2 Stunden pro Katholyt-Vorratsbehälter führen Betriebszeiten bei der Patrone von etwa 4 Stunden (8 kWh) und bei dem Sauerstoffträger von etwa 2 Stunden (4 kWh) zu einer mittleren Leistung von 2 kW, wobei eine Umwandlungsanlage von etwa 22 Pfund (entsprechend 24,6 lbs)bei einem Raumbedarf von etwa 4,3 dm3 (entsprechend 0,15 Kubikzoll) und ein Vorratsbehälter von etwa 107 Pfund (entsprechend 118 lbs) bei einem Raumbedarf von etwa 35 dm3 (entsprechend 1,25 Kubikzoll), entsprechend etwa 37,85 1 (10 Gallonen) verwendet werden können.
  • (C) Ein mittelgroßes 4-Personen-Auto von der Art des sogenannten Vorortwagens mit einem Gewicht von etwa 1133 kg (entsprechend 2500 lbs) erfordert eine kurze Zeitspanne der Betankung mit Energie von etwa 200 Wh/Meile bei einer Vorwärtsbewegung mit einer -Geschwindigkeit von etwa 64 bis 80 km/h (entsprechend 40 bis 50 Meilen pro Stunde) auf ebenem Gelände und mit einer Spitzengeschwindigkeit von 112 km/h (entsprechend 70 Meilen pro Stunde). Die vorliegende Erfindung kann diese Forderungen mit einem System erfüllen, welches folgende Werte mit sich bringt: Ein Bereich von etwa 1600 km (entsprechend 1000 Meilen) für die Zellenanordnung und 160 km (entsprechend 100 Meilen) pro Sauerstoffträger-Fluidnachfüllung; eine Umwandlungsanlagengröße von etwa 889 Pfund (entsprechend 650 lbs) und ein Volumen von etwa 113 dm3 (entsprechend 4 Kubikfuß) bei einer Dauerabgabeleistung von 12 kW und bei einer Spitzenleistung von etwa 20 kW. Die Sauerstoffträger-Fluidtankgröße beträgt etwa 544 Pfund (entsprechend 6001bs) bei einem Volumen von etwa 178 dm3 (entsprechend 6,3 Kubikfuß) (was etwa 187,5 1, das sind 50 Gallonen entspricht).
  • Der Reaktor bzw. die Umwandlungsanlage speichert zu Anfang 200 kWh; sie wird fortschreitend um etwa 9 Geachtsprozent mit jeder der zehn Katholyt-Vorratsbehälternachfüllungen leichter, wenn der Wagen über 1 600 km (entsprechend 1 000 Teilen) gefahren wird.
  • Der Katholyt-Vorratsbehälter hält eine Energie von etwa 20 kWh pro Nachfüllung; er muß alle 1600 km bei mittlerer Fahrweise wieder aufgefüllt werden.
  • (D) Die Belastungsabflachung für Leistungsabgabesysteme und/oder Not- oder Bereitschafts-Leistungsversorgungssysteme wird durch die Flexibilitä#tS#,Wirtschaftlichkeite-, Sicherheits- und Langzeiteigenschaften sowie durch die Vielseitigkeit des Energieumwand lungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt.
  • Um eine lange Betriebslebensdauer bei jeder der vorstehenden Anwendungsfälle sicherzustellen, sollte das Energieumwandlungssystem Einrichtungen aufweisen, die die Bildung oder Wiederauflösung von Eisenoxid verhindern, das sich in der Anodenflüssigkeit bzw. dem Anolyten und der Kathodenflüssigkeit bzw. Katholyten niederschlägt. Erreicht wird dies gemäß der Erfindung durch eine gewisse Filterung, Mischung bzw. Legierung, Umleiten durch einen Hilfs-Energiewandler mit einer Blektrolytenumkehr und einer Überpotentialsteuerung und/oder Chelatbildung.
  • Es ist erforderlich, die Frage von pH-Änderungen in einem Eisen-Re dox- System anzusprechen, um eine betreibbare und praktische Energiequelle bereitzustellen. Eisensalze, wie die Chloride, Sulfate, Nitrate, etc.sind lediglich in einem einen niedrigen pH-Wert besitzenden wässrigen Umgebungen lösbar. Eisenoxide, -carbonate und -hydroxyde sind für die Bildung und den Niederschlag verantwortlich, wenn dem pH-Wert ermöglicht ist anzusteigen (im allgemeinen wesentlich über 3), und zwar insbesondere in dem Fall, daß Sauerstoff oder andere lösliche Gase, wie CO2, für die Lösung zur Verfügung stehen, wenn sie der Luft ausgesetzt sind.
  • Eisen-Il-Verbindungen sind in Lösung besonders empfindlich für eine Oxydation zu Eisen-Ill-Verbindungen. Sauerstoff reagiert mit n#isen-II-Salzlösungen unter Bildung von unlösbaren Sisen-III-Verbindungen. Zusätzlich zu den obigen Vorgängen existiert der Prozeß der Wasserstoffgas-Freisetzung, um die zu kämpfen ist. Während des Ladevorgangs wird dann, wenn metallisches Eisen auf der Anodenoberfläche niedergeschlagen wird, Wasserstoffgas auch durch Zersetzung von H20 erzeugt. Sogar dann, wenn sich eine Zelle im Leerlauf befindet, d.h. bei offenem Stromkreis, wird eine gewisse Menge H2-Gas aufgrund der hohen H+-Ionendichte in Lösungen mit einem pH-Wert im Bereich von 1 bis 2 sich entwickeln. Ungünstigerweise ist dabei normalerweise nicht die sofortige entsprechende Dntwicklung von Sauerstoffgas an der Kathode vorhanden, um den verlorenen Wasserstoff unter Wiederherstellung des pH-Wertes zu kompensieren. Wenn sich H2-Gas ausbildet, steigt die OH-Ionenkonzentration an, und demgemäß steigt der pH-Wert an.
  • Gemäß der Erfindung wird einer Anzahl von Bedingungen für die elektrochemische Verbindung als elektrochemisch reversibel genügt. Hierbei handelt es sich um folgende Bedingungen: Die Verwendung eines einzigen Fluids oder von in Lösung vorliegenden Ionenarten, die im Anschluß an eine Diffusion von einem Elektrolyten in einen anderen elektrisch getrennt werden können; die Verwendung von Komponenten, die aus einer Lösung in einer gesonderten Art und Weise galvanisch niedergeschlagen werden können; Einrichtungen, die die Hauptkomponenten physikalisch getrennt halten, allerdings an ihren entsprechenden Elektrodenoberflächen für eine spätere kbgabe bereithalten.
  • Nachstehend ist eine Übersicht über die freien Formationsenergien gegeben (siehe "Oxidation Potentials", 2. Auflage, W.M.Latimer, Prentice Hall, Inc.), und zwar für die verschiedenen Verbindungen von Eisen und Chlorgas, die in den fundamentalen Prozessen möglich sind, welche dem wässrigen Bisen-Chlorid-System zugehörig sind.
  • Die Ausbildungs- bzw. Formationsenergien für jene Verbindungen, die von Hauptinteresse bezüglich der Reversibilität sind, sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.
  • Bildung von freier Energie (bei 250C) Substanz physikalischer Zustand F K cal/mol H20 flüssig -56,7 OH wässrig -37,6 Fe++ wässrig -20,3 Fe+++ wässerig -2,5 FeC12 fest -72,2 FeC13 fest -80,4 FeO fest -58,4 Fe2O3 fest -177,1 Fe304 fest -242,4 Fe (OH)2 fest -115,6 Fe (OH)3 fest -166,0 Cl wässrig -31,4 HCl wässrig -31,4 wäs#rig 00,0 Die Energie erzeugende Reaktion führt zu einem tatsächlichen freien Snergieaustausch von 3f f + 0 + 2(-2,5) = 3(-20,3) kcal/mol oder S F = -55,9 kcal/mol, was 80 Wattstunden pro Pfund Reagens bei einer Leerlaufspannung von 1,21 V entspricht.
  • Während des Ladeteiles eines Zyklus wird ein gewisser Anteil von Wasserstoffgas an der Anode freigesetzt, während die Oberfläche mit Eisen überzogen wird. Die Erzeugung von H2 auf diese Art und Weise führt dazu, daß der Anolyt weniger sauer wird, was zu einem Ausfall von Eisenhydroxyden und/oder beiden führt.
  • Der in dem Llektrolyten gelöste Sauerstoff neigt ebenfalls dazu, die Oxide von listen aus der Lisen-II-Ghloridlösung niederzuschlagen. Die Erzeugung von H2 auf diese Art und Weise neigt dazu, den Anolyten weniger sauer zu machen, was zu einem Ausfällen von zisenhydroxyden und/oder exiden führt.
  • Der in dem Elektrolyten gelöste Sauerstoff neigt ferner dazu, die Oxide von eisen aus der Eisen-II-Chloridlösung auszufällen bzw. niederzuschlagen. Eine Betrachtung bzw. Untersuchung der Xnergiegleichgewichte für die möglichen Reaktionen, die sich in der Auflösung von Eisenoxiden und -hydroxyden ergeben können, zeigt, daß die Gelegenheit des Aufbaus eines elektrisch reversiblen Systems als gut erscheint.
  • Wenn ein Fe/FeCl#-System wieder geladen wird, werden die Fe++-Ionen in den Fe -Zustand an der Kathodenoberfläche oxidiert. Die Chloridionen diffundieren zu der Kathode unter Ausgleich der elektrischen Ladung. Wenn Jedoch die Stromdichte den Wert überschreitet, bei dem Fe -Ionen für die Oxidation verfügbar sind, und wenn die Steuerspannung hoch genug ist, kann Cl2 an der Kathode erzeugt werden. Cl2 ist in Chloridlösungen unter Bildung von komplexen Ionen mäßig lösbar.
  • Außerdem wird Cl2 mit Wasser reagieren, und zwar insbesondere bei Vorhandensein von aktivem Kohlenstoff unter Bildung von HCl.
  • In jedem Falle führt die erzeugung von FeCl# an der Kathode zu einer zunehmenden sauren Lösung mit einer hohen Cl-Ionenkonzentration und der Möglichkeit des Auftretens von freiem Chlorgas in geringen Konzentrationen. Eisenoxide werden dann von den Chloridionen und/oder freiem C12 in einer solchen Weise angegriffen, daß FeCl2 oder FeCl3 unter Erzeugung entweder von H20 oder von 02-Gas regeneriert wird, und zwar je nach Fall.
  • Eine Überprüfung der folgenden Reaktionsmöglichkeiten zeigt, daß die freien Energieänderungen alle in der gewünschten Richtung auftreten. Die tatsächliche freie Snergieänderung ist negativ.
  • Wenn HCl in genügenden Mengen vorhanden ist, dann können die folgenden Reaktionen mit den verschiedenen Oxiden als typische Prozesse erwartet werden.
  • Worin freies Chlorgas im Elektrolyten vorhanden wäre, würden einige #rwartete Reaktionen wie folgt ablaufen: Eine Analyse des Hauptteils der chemischen Reaktionsmöglichkeiten zeigt, daß die Ausbildung von Eisenoxyden und -hydroxyden aufgrund der Elektrolyse von Wasser und gelöstem Sauerstoff aus der Luft konvertierbar ist für die Bildung von lösbaren Chloriden, und zwar ebenfalls durch geeignete Wiederladung, Filterung und durch Anwendung von Fluidströmungs- Steuerungsverfahren innerhalb des Energieumwandlungssystems.
  • Eine interessierende Energiebetrachtung ergibt sich aus der Reaktion zwischen Eisen und HCl, Fe und FeCl2. Eisen reagiert mit HCl unter Bildung von Sisen-II-Chlorid relativ leicht, wie dies durch die folgenden Berechnungen veranschaulicht wird.
  • Die Reaktion vermag jedoch nicht abzulaufen, wie dies durch die positive freie energie angezeigt wird.
  • Das Vorhandensein von HCl in der FeC12-Lösung führt nicht zu einer Oxydation des 11-Eisens, wie dies durch den nachstehenden Energieausgleich ersichtlich ist.
  • Jegliche Lösung zur Regulierung des pH-Wertes oder der Geschwindigkeit der Sedimentansammlung in einer wäs~rigen FeCl2- und FeCl -Elektrolyt-Sekundärzelle muß mit allen anderen Systemerwägungen kompatibel sein.
  • Das naheliegende Mittel zur aufrechterhaltung des pH-Wertes durch Hinzugabe von Brsatz- H+-Ionen mittels HCl ist nicht mit anderen Forderungen vereinbar, da der Elektrolyt ständig aus dem stöchiometrischen Gleichgewicht durch die Hinzugabe von C1--Ionen herausgebracht wird. Schließlich verbleiben keine Fe+2-Ionen in dem System, und zwar auch dann nicht, wenn sich das System im entladenen Zustand befindet. Dies geht auf die irreversiblen Oxydationsprozesse zurück. Tests haben Werte von etwa 3 bis 520 für den hmperestunden-Verlustfaktor oder das Äquivalent der H2-Gaserzeugung während der Ladung ergeben. Die Ladewerte liegen zwischen 6 und 12A für eine Elektrodenlläche von etwa 387 cm2 (entsprechend 60 Quadratzoll) bei diesen Experimenten (das sind beispielsweise etwa 0,10 bis 0,20 A/6,452 cm2) Demgemäß erscheint es auf dieser Grundlage, daß am Ende von 15 bis 22 Zyklen lediglich etwa 50% der Energie speicherkapazität des slektrolyten in Form von verfügbaren Fe++ -Ionen übrigbleibt, da ständig die Forderung nach Hinzugabe von HCl zu dem System vorhanden ist.
  • Sorgfalt muß außerdem dafür aufgewandt werden, das System bei einem entsprechend abnehmenden Amperestundenwert bzw. Kapazitätswert zu laden, wenn die Zyklusanzahl größer wird, da sonst eine unmäßige Menge an H2 durch Überladung freigesetzt wird. Die obigen Zahlen wurden durch Auflösung der Gleichungen nach n erreicht: (OX97)n = 0,5 und (0,95) = 0,5.
  • nin zweites und praktischeres Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, die chemische Dynamik an der Kathode auszunützen, um den pH-Wert und die Auflösung der alkalischen Niederschläge wieder herzustellen. Der Katholyt wird ständig während des Ladevorgangs in den sauren Zustand überführt. ms können Filter benutzt werden, um aus dem Fluidstrom Feststoffpartikeln auszusondern, die in dem Anolyten während des zyklischen Umlaufs gebildet sind. Diese Filter werden periodisch vom Anolyten-Strom zum Katholyten-Strom umgeschaltet, wodurch die angesammelten unlöslichen Ionen-Verbindungen in dem sauren Elektrolyten wieder gelöst werden. Um ein Anolyt-Filter im Betrieb zu allen Zeitpunkten instandzuhalten, werden zwei Filter verwendet, deren Stellungen periodisch gewechselt werden.
  • Laboreinrichtungen, die von einzelnen Zellen zu 22-Zellenanordnungen reichen, sind in dieser Art und Weise über hunderte von Zyklen betrieben worden, und zwar ohne tatsächliche, akkumulierte Verschlechterung der Leistung über die ersten wenigen Betriebszyklen. Es sind Sesam-Wasserfilterpatronen mit der Bezeichnung Nr.1P753, wie sie von der Firma Dayton Blectric Manufacturing Company hergestellt werden, erfolgreich über Betriebs zeitspannen von vielen ivionaten verwendet worden. Das Umschalten von Leitungsfiltern kann durch Z#rei-Wegeventile bewirkt werden. Diese können, sofern erwünscht, manuell umgeschaltet werden oder dann, wenn dies der Sedimentpegel und entsprechende Fluidströmungs-Impedanzänderungen anzeigen würden.
  • Ein weiteres Verfahren, das mit Ausnahme der Wirkungsgradverluste aufgrund der slektrolytvermischung verhältnismäßig wirksam ist, umfaßt die folgenden einfachen Schritte: Einsetzen eines Filters lediglich in der Katholytleitung; periodisches Hindurchleiten des Anolyten durch den Katholyten durch Umschalten des Ventils, derart, daß die beiden hydraulischen Kreise in Reihe geschaltet sind oder derart liegen, daß sie beide parallel zu dem Katholytfilter verlaufen.
  • Diese periodische Durchspülung der Anodenseite mit dem Katholyten stellt den pH-Wert wieder her und beseitigt Niederschläge, die dazu neigen, sich anzusammeln. Ungünstigerweise vermindert die Einführung von Fe+3-Ionen in den Anolyten den Wirkungsgrad aufgrund des entsprechenden Amperestunden- bzw. Kapazitätsverlustes infolge direkten Angriffs des Eisenbelags durch die Eisen-III-Läsung, Diese Methode ist jedoch hier mit Erfolg ausgeführt worden. Verluste, die aufgetreten sind, stehen in bestimmtem Verhältnis zu den Fluidvolumengrößen und zu der Häufigkeit der Durchspülung. Dieser Verlust ist durch entsprechende Auslegung eines hydraulischen Kreises herabsetzbar, durch den der größte Anteil des Anolyten unversehrt erhalten bleibt, während die Zelle lediglich mit dem Katholyten ausgespült wird. Alternativ dazu ist es möglich, ein Zwei-Filter-System vorzusehen, bei dem der Anolytfilter periodisch in umgekehrter Richtung wie in einem Katholytfilter durchspült wird, ohne daß jemals die Filterkreise ausgetauscht werden. Der Restkatholyt in den Poren des Anolytfilters nach jeder derartigen Operation würde dann ebenfalls die Herabsetzung des Anolyt-pH-Werte s unterstützen.
  • Die teilweise oder gesamte Rückladung einer Zelle stellt außerdem den pH-Wert wieder her und macht die Eisenverbindungen wieder löslich bzw. löst sie auf.
  • Der entscheidende Nachteil liegt hier in der zusätzlichen Zeitspanne und Energie, die zur erzielung dieses Zwecks erforderlich sind. Sogar dann, wenn eine Zelle in einer symmetrischen Art und Weise ausgelegt und in jeder Polung betreibbar wäre, sind d#er Energieverlust bei der Entladung der Zelle auf Null von dem ~Kurvenknick" aus und die Energie, die zur Anhebung des Pegels in den flachen Kennlinienbereich in der entgegengesetzten Richtung erforderlich ist, besonders groß, um eine gewisse Angst vor Lastabflachungs-Anwendungsfällen hervorzurufen.
  • Es kann ein inaktives Filter" verwendet werden, bei dem die Filterung und Auflösung von Eisenverbindungen auf einer Oberfläche gleichzeitig ausgeführt werden.
  • Das Filter ist ein Element, welches die Kathode einer einzelnen Zelle innerhalb einer Mehrfach-Zellen-Energiespeicheranordnung darstellt oder welches als gesonderte Hilfszelle verwendet wird und aus porösem Kohlenstoff aufgebaut ist. Kohlenstoffverbindungen dieser Art können aktive Kohlenstoffpartikeln, Graphit und PVC-Bindemittel enthalten. Die poröse Kohlenstoffilterelektrode würde zu der Pluselektrode einer einzelnen Zelle, und der Anolyt wird durch diese Elektrode hindurchgeleitet, wobei Niederschläge auf der Arbeitsfläche gefilter werden. Wenn ein elektrischer Strom durch die Zelle fließt, werden die Niederschläge wieder löslich gemacht, indem die Chloride von Eisen wieder durch Anwendung eines der beiden Prozesse auftreten: Der direkte elektrische Übergang von Oxiden oder Hydroxyden zu Chloriden an der Elektrodenoberfläche, was in typischer Weise der halben Zellenreaktion entspricht.
  • Wenn das Potential dieser Filterzelle groß genug ist, wird ein gewisser Anteil freien Chlorgases an der porösen Kathodenoberfläche erzeugt. Dabei laufen Reaktionen folgender Art ab: und zwar durch direkte C12-Reaktionen mit den festen Niederschlägen.
  • Ein gewisser Anteil des Chlorgases wird mit Wasser reagieren (Hydrolyse), und HCl (Wasserstoffionen) wird erzeugt werden, was zu einem weiteren Abnehmen des pH-Wertes in der unmittelbaren Nähe dieser Elektrode führt.
  • Der aktive Kohlenstoff hat eine katalysierende Wirkung dieser Hydrolyse.
  • Es kann eine Hilfszelle verwendet werden, in der 02-Gas gebildet wird und in der C12 erzeugt wird, um den pH-Wert in dem Anolyten aufzuheben. Der Fluidkreis ist im wesentlichen derselbe wie bei dem vorhergehenden Verfahren. Die Kathode (+)-Elektrodenfluidleitung ist in den Anolytkreis einer Nehrfachzellenanordnung eingeschaltet. In diesem Elektrolyten werden C12 und HCl dadurch erzeugt, daß die Einzelzelle mit einer Spannung geladen wird, welche die Zersetzungsspannung von 1,80 Y überschreitet.
  • Eine aktiven Kohlenstoff enthaltende Reaktionskammer kann verwendet werden, um die Hydrolyse von C12 zu beschleunigen. Freies Chlorgas in dem Kreis neigt dazu, mit Fe -Ionen zu reagieren und diese zu Fe +3-Ionen zu oxidieren, was zu keiner wirksamen Änderung des pH-Wertes führt. Diese Prozeß muß zugunsten der Hydrolyse mit der entsprechenden erzeugung von H+-Ionen unterdrückt werden.
  • Auf der negativen Elektrode der Hilfszelle sammelt sich kein Eisenbelag an, da das Anodenfluid sich in dem Katholytkreis für die Anordnung befindet und üblicherweise relativ konzentriert hinsichtlich des oxydierens wnFe+)-Ionen ist. Demgemäß kann die Hilfszelle kontinuierlich ohne die Forderung nach Entladung oder Aufbereitung betrieben werden.
  • Die Betriebsbedingungen für die Hilfswelle werden so eingestellt, daß der elektrische Stromfluß und der Fluidstrom durch den Pluselektrodenbereich geeignet sind, um eine Zellenspannung über 1,8 Volt und eine H+-Ionenerzeugungsrate zu liefern, die ausreicht, um den pH-Wert unter 3 oder 4 einzustellen. Wenn die Fluidströmung in dem Flußbereich abnimmt, steigt die Cl2- und H+-Ionenerzeugungsrate bei derselben elektrischen Stromdichte aufgrund der abnehmenden Verfügbarkeit von Fe+2-Ionen an.
  • Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung mit den ihr anhaftenden Merkmalen und Vorteilen nachstehend beispielsweise näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt schematisch die elektrischen Schaltverbindungen der Komponenten einer transportablen Stromquelle, die einen Energieumwandler umfaßt.
  • Fig. 1A zeigt in einer perspektivischen Explosionsansicht die mechanischen Komponenten einer derartigen Stromquelle.
  • Fig. 2 zeigt in einer Schnittansicht die Energieumwandlungskomponente der Stromquelle.
  • Fig. 2A bis 2D zeigen Draufsichten eines der Trennelemente der Umwandlungsanordnung.
  • Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsformen des Energie umwandlers gemäß der Erfindung unter schematischer Darstellung einer Filter-Überkreuzung und Filter-Reihenschaltung.
  • Fig. 5 zeigt schematisch in einem Diagramm eine Ausführungsform des Energieumwandlungssystems gemäß der Erfindung unter Verwendung einer Hilfszelle.
  • Fig. 6A und 6B zeigen schematisch Schnittansichten eines Kathodenbereiches, unter Veranschaulichung der relevanten Erscheingungen des Betriebsmechanismus während des Ladevorgangs und während des zntladevorgangs.
  • Fig. 7A und 7B zeigen schematisch in isometrischen Ansichten den Zustand von Ladefeststellsystemen unter Anwendung der Kolorimetrie.
  • Im folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Im Hinblick auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 und 1A sei bemerkt, daß dort ein Energieumwandler 10 mit zwei Elektrolytströmungskreisen (nicht dargestellt) veranschaulicht ist, nämlich mit einem Anolyten-Strömungskreis und mit einem Katholyten-Strömungskreis. Der Anolyt und der Katholyt sind in Behältern 11 bzw. 12 aufbewahrt, und die betreffenden Flüssigkeiten werden mittels Pumpen 13 bzw. 14 umgewälzt. Der Wandler gibt eine Leistung an Ausgangselektroden ab, nämlich an einer Anode 15 (negativ) und an einer Kathode 16 (positiv). Diese &usgangselektroden sind mit den Systemausgangsanschlüssen 17 (negativ) und 18 (positiv) verbunden. Für das System ist ein Hauptschalter 21 vorgesehen, und außerdem ist ein federbelasteter Startschalter 22 vorgesehen. Eine Batterie 23 wird für die Inbetriebsetzung bzw. den Start der Pumpen benutzt, die durch Elektromotoren M angetrieben werden. Für eine derartige Inbetriebsetzung wird die betreffende Batterie kurzzeitig durch Betätigen des Schalters 22 mit den betreffenden Pumpen verbunden.
  • Dabei wird die Batterie in Reihe mit den betreffenden Pumpen über Schutzschaltungselemente, nämlich Dioden 24 und 25 und einen Widerstand 26, gelegt.
  • Ein einpoliges Umschaltrelais 29, dessen Relaiswicklung 27 in Reihe mit einem veränderbaren bzw. einstellbaren Widerstand 28 liegt, schaltet einen von zwei veränderbaren bzw. einstellbaren Vorwiderständen 31, 32 mit dem Pumpenkreis in Abhängigkeit von einer Wandler-Klemmspannung.
  • An den Wandleranschlüssen ist ein Spannungsmesser 33 vorgesehen, und in Reihe mit dem Wandler ist ein Strommesser 34 geschaltet. Die Fülleitungen für den Anolytenkreis bzw. den Katholytenkreis sind mit 41 bzw. 42 bezeichnet, und die Rückführleitungen für die betreffenden Flüssigkeiten sind mit 33 bzw. 34 bezeichnet. Außerdem sind mit Ventilen versehene parallele Abführleitungen 45 bzw. 46 vorgesehen.
  • Eine mechanische Anordnung zur Befestigung des Systems gemäß Fig. 1 als kofferartige Speiseleistungspackung unter Verwendung einer Grundplatte 51, welche die Pumpen sowie die elektrische Steuerung und das Meßelement umgibt, ist in Fig. 1A veranschaulicht. Die Grundplatte 51 besitzt in typischer Weise eine Breite von ca. 58 cm (entsprechend 23 Zoll), eine Tiefe von ca. 38 cm (entsprechend 15 Zoll) und eine Höhe von ca. 13 cm (entsprechend 5 Zoll). Die betreffende Grundplatte weist eine geneigte Vorderseite auf, welche die sichtbaren Anzeigeelemente der Meßgeräte und Steuerknöpfe sowie die Schalter für die Schaltungselemente 22, 31 und 32 und den Netzschalter 21 aufweist. Die Ausgangsstecker und Steckdosen 17/18 und 35/36 befinden sich in den Seiten der Grundplattenanordnung. Der Wandler 10, die Behälter 11 und 12 und die Batterie 23 sind auf der Oberseite der Grundplattenanordnung angebracht und von einer Haube bzw. Verkleidung 52 mit einem Traghandgriff 53 umgeben#. Die dabei vorgesehenen Schlitze 54 nehmen die Abführungsleitungen und Verriegelungselemente 55 auf, durch die die Einheit verschlossen wird und die es ermöglichen, das System als einzige Einheit anheben zu können.
  • Im folgenden sei auf Fig. 2 Bezug genommen, in der ein Energieumwandler gezeigt ist, der aus einer Stapelanordnung von Einheitszellen mit festem-flüssigen Brennstoff besteht. Diese Zellen bestehen aus einer Endanodenelektrode 110, einer Endkathodenelektrode 120 und einer Vielzahl von bipolaren Mittelelektroden 130. Durch diese Elemente sind erste und zweite Einheitszellen 140 bzw.
  • 150 an den Längsenden des Stapels gebildet, und zusätzliche Zellen 160 sind zwischen diesen Zellen gebildet, indem bipolare Elektroden 130 in elektrischer Reihenschaltung und paralleler Fluidströmung einander gegenübergestellt werden (was bedeutet, daß eine parallele Elektrolytspeisung und eine parallele Elektrolytableitung sowohl für den Anolyten als auch den Katholyten erfolgen).
  • Eine Diffusionstrenneinrichtung 145 teilt die Zelle 140 in einen Anolytenraum 141 und in einen Katholytenraum 142 auf. In entsprechender Weise teilt eine ähnliche Trenneinrichtung 155 die Zelle 150 in einen Katholytenraum bzw. -bereich 151 und in einen Katholytenraum bzw. -bereich 152 auf. Ähnliche Trenneinrichtungen 165 sind für die Zwischenzellen vorgesehen und teilen diese in Anolytbereiche 161 bzw. Aiatholytbereiche 162 auf.
  • Obwohl lediglich eine geringe Anzahl von Zellen in dem Zellenstapel zum Zwecke der Veranschaulichung dargestellt worden ist, dürfte einzusehen sein, daß viel mehr Zellen in einem derartigen Stapel nach denselben Prinzipien enthalten sein können.
  • Die Endanodenelektrode 110 weist eine Metallschicht 111 auf, die an einer laminierten Abschlußelektrodenstrktur angebracht ist, welche leitende (Kunststoff/Kohlenstoff-Zusammensetzung) Substrate 113, 114 umfaßt, die in Schichtbauweise um ein Streckmetallnetz 115 herum vorgesehen sind.
  • Die Kathodenelektrode 120 umfaßt eine leitende Schicht 122 mit einem Holzkohlenüberzug auf einer laminierten Anschlußelektrodenstruktur, bestehend aus leitenden Substraten 123, 124, die in Schichtbauweise um ein Streckmetalgitter 125 herum vorgesehen sind. Die bipolaren Mittelelektroden 130 weisen Metallschichten und Holzkohlenschichten 132 auf; diese Schichten sind um ein mittleres leitendes Substrat 135 herum geschichtet.
  • Durch Rahmendichtungen 143, 144, 153, 154, 163, 164 wird die Halterung der Elektroden und Membranen räumlich unterstützt, und außerdem wird dadurch der Einschluß der rippenartigen Blektrolytkammern 141, 142, 151, 152, 161 bzw. 162 abgeschlossen. Für die betreffenden Räume bzw.
  • Kammern dienen die Abdichtungen als Randwände. Die betreffenden Dichtungen können ferner Rohrleitungen für die Zuführung und Ableitung des Elektrolyten aufweisen, wie dies Fig. 2B veranschaulicht, gemäß der die Dichtung 143, die als Randwand für die Kammer 141 dient, einen Zuführungsdurchgang P3 führt, der in Verzweigungskanäle 101, 102 aufgeteilt ist, durch die ein Anolyt zu den oberen Ecken 103, 104 der Kammer 141 hin geleitet wird. Außerdem weist die betreffende Dichtung einen Rückführungsdurchgang P5 auf, der den von den unteren Ecken der Kammer 141 über eine entsprechend verzweigte Kanalanordnung zurückgeleiteten Anolyten aufnimmt.
  • Die leitenden Schichten 113, 114, 123, 124, 135 und die Substrate der Kathoden 122, 132 bestehen aus heiß gepreßten Mischungen aus Kunststoff und Kohlenstoff. Der Kunststoff besteht dabei aus Polyvinylidenfluorid (PVF), Polyvinylchlorid, Polyäthylen oder Teflon. Der PVF-Werkstoff wird bevorzugt. Der Kohlenstoff wird in Form von fein zerteiltem Graphit oder Ruß verwendet. Die Kathodenschichten weisen Holzkohle auf, die in die Oberfläche eines Kohlenstoff-Kunststoff-Subtrates eingepreßt ist, welches seinerseits mit den Schichten 120, 130 verbunden ist. Die Metallschichten 111, 131 sind heiß auf die Schichten 110, 120, 130 aufgepreßt. Die Laminate 113,114, 115 sowie 123, 124, 125 sind gesondert heiß gepreßt, bevor die Schichten 111 oder 112 dazugefügt werden.
  • Die Trenneinrichtungen 145, 155, 165 können durch einen 25,4/um dicken Polypropylenfilm mit einer Porosität von 50°' und einer elektrochemischen Güte gebildet sein, wie er unter der Bezeichnung Celgard-Film bekannt ist. s können aber auch 254 um dicke Polyäthylenfilme Daramic mit einer Porosität von nOC3 und elektrochemischer Güte oder andere bekannte ionendurchlässige Diffusions-Begrenzungs-Trennmembranen verwendet werden.
  • Die Endplatten 91, 92 und die Abstandsplatte 93 können bearbeitet oder geformt sein, um Fluiddurchgänge und Verbindungsstangenlöcher aufzuweisen, wobei die Randkanten der Elektrode, die Dichtungs- und Membranteile ausgerichtete Löcher aufweisen. Die betreffenden Löcher erfordern die Anwendung von Isolier- bzw. Dichtungsmitteln vor dem Zusammenbau. Die äjinzelteile werden dann in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise zusammengesetzt und mittels Verbindungsstangen 99 derart unter Druck zusammengehalten, daß sie eine blockartige kompakte Packung bilden.
  • In Fig. 2A bis 2D sind Draufsichten der einzelnen Komponenten 113, 143, 130 bzw. 93 entsprechend den Schnittebenen AA, BB, CC bzw. DD in Fig. 2 veranschaulicht. Die betreffenden Komponenten lassen erkennen, daß die zueinander ausgerichteten Öffnungen P1 bis P8 durch die Randbereiche der betreffenden gestapelten Komponenten unter Bildung von Längsfluidströmungsdurchgängen verlaufen.
  • Gewisse Öffnungen der Öffnungen Pl bis P8 in den Endbereichen sind versperrt, um für gewisse Durchgänge längs verlaufende Sacklöcher festzulegen. In Fig. 2A ist dabei veranschaulicht, daß die Schichten 114 und 113 einen abgestuften spezifischen Widerstand besitzen, so daß ein hoher spezifischer Widerstand zwischen den Öffnungen bzw. Durchströmungskanälen und ein niedriger spezifischer Widerstand im mittleren Bereich derartiger Schichten ist, wo die Elektrodenflächen befestigt sind.
  • Es ist bedeutsam, eine Gleichmäßigkeit der Elektrolytenströmung durch die Anolyten- und Katholytenkammern über die Elektrodenflächen sicherzustellen und Kurzschlußverluste zwischen den Zellen zu begrenzen. Die Zellenkonstruktion minimiert Kurzschlußverluste und fördert die Strömungsgleichmäßigkeit. Wie in Fig. 2, 2B und 2C veranschaulicht, ist ein Verteilungskanal 141DC in der Anolytenkammer 141 vorgesehen, und ferner ist ein Verteilungskanal 142 FM in der Katholytenkammer 142 vorgesehen. Diese Kanäle dienen als Beruhigungsräume bzw.
  • Speicherkammern; sie sind mit der Kammerstruktur zusammenhängend gebildet. Ahnliche Rückführkanäle sind für die entsprechenden Kammern in den Zellen 140, 150 und 160 vorgesehen. In Fig. 2B ist das Strömungsmuster tfeile F) für die Anolytenkammer 141 veranschaulicht. Der Speisedurchgang in P3 verzweigt sich zu seitlichen Abgabekanälen 101, 102 mit entsprechenden Eckenaustritten 103, 104 an den Enden des Kanals 141DC, und zwar an den oberen Ecken der Kammer 141. Die typischen Querschnittsabmessungen für den Kanal 141DC oder für den Kanal 142 DC liegen bei ca. 1,6 mm ~ 3,2 mm (entsprechend 1/16 ~ 1/ 8 Zoll); die betreffenden Querschnittsabmessungen können im Falle des Kanals 141DC auch größer sein, und zwar in Abhängigkeit von der Dicke der verwendeten Metallschicht. Die Dicke des mittleren Bereichs der Kammern 141 und/oder 142, die durch die Trennung der Anodenfläche oder Kathodenfläche von der gegenüberliegenden Oberfläche der Membrane 145 festgelegt ist, beträgt in typischer Weise 0,4 mm (entsprechend 1/64 Zoll). Das Verteilungskanal- und Speicherkanal-Strömungsmuster ist somit eigentlich mit einer minimalen Fremdstruktur für diesen Zweck erzielt. Dabei ist das betreffende Strömungsmuster vereinbar mit dem an einer Vielzahl von in Abstand voneinander liegenden Punkten erfolgten Fluideintritt (oder Fluidauslaß) an der Zellenkammerkante. Dies ermöglicht eine bedeutsame konstruktive Länge der parallelen Elektrolytströmungswege (die Länge gleicht den niedrigen spezifischen Widerstand des Elektrolyten unter Schaffung eines annehmbar hohen Zwischenzellen-Widerstands aus, der in einem geringen Abstand innerhalb des sich überlappenden Randes der Komponentenzellen des Zellenstapels verursacht ist) mit Durch Abstandselemente (wie sie z.B./158, 159 angegeben sind) wird in der Anolyten- und Katholytenkammer jeder Zelle ein gleichmäßiger Abstand der Anoden- und Kathodenelektroden von den dünnen Trennschichten 145,155,165 erreicht. Die betreffenden Abstandselemente weisen Netze auf, die erhabene Querträger bzw. Kreuzungspunkte zwischen den sich schneidenden synthetischen Faserfäden (z.B. aus Polypropylen) aufweisen. Alternativ dazu kann das Netz in eine gewellte Form gepreßt sein, um eine Fluidströmung zu ermöglichen, während der betreffende Abstand aufrechterhalten bleibt.
  • Gemäß Fig. 2D sind quer verlaufende Kanäle D15, D26, D27 und D48 als Mulden in der Platte 93 gebildet; sie liegen an dem Substrat 124 unter Bildung von völlig in Längsrichtung verlaufenden Durchgängen Pl bis P5, P2 bis P6, P3 bis P7 und P4 bis P8 an. Die Durchgänge Pl, P2, P7 und P8 können sich durch die Platte 93 erstrecken, um eine weitere Anordnung von Zellen SB2 unter Ausnutzung einer gemeinsamen Anolyt- und Katholyt-Umwäl ze inri chtung für beide Zellenanordnungen SB1 und 5B2 zu speisen.
  • In Fig. 2B ist eine Draufsicht des Abstands-Dichtungsrahmens 143 gezeigt. Dieser Rahmen besteht aus einem Isolierstoff, wie z.B. aus Polyvinylchlorid. Er ist mit Öffnungen P1 bis P8 versehen, die während oder nach der Rahmenherstellung gelocht sind. Wenn die Öffnungen P1 bis P8 nach derRahmenherstellung gebildet werden, ist lediglich eine einzige Preßform erforderlich, um die Formen sämtlicher Rahmen 143, 144, 163, 164, 123, 124 und die Mulden 101, 102 (obere und untere Mulde) in diesem Rahmen zu bilden, und mittels eines einzigen Mehrfach lochstempels können die Öffnungen Pl bis P8 für sämtliche sich überlappenden Teile 113, 114, 123, 124, 143, 144, 145, 153, 154, 155, 163, 164 und 165 gebildet werden.
  • Die Metallgitter bzw. Metallnetze 115 und 125 wären kurz genug, um von den Öffnungen PA bis P8 ausgespart zu werden. In der Praxis werden die betreffenden Netze außerhalb der Elektroden 110 und 120 in einer Richtung verlaufen, die um 900 von der Richtung gedreht ist, wie sie in Fig. 2 zum Zwecke der vereinfachten Darstellung gewählt ist.
  • In Fig. 2B ist die Anclytzuführung durch die Öffnung P3 und die Anolytableitung durch die Öffnung P5 veranschaulicht. Außerdem sind dort die Katholytzuführung durch die Öffnung P4 und die Katholytableitung durch die Öffnung P6 veranschaulicht. Es ist jedoch in gewissen Fällen von Nutzen, eine Überkreuzung vorzusehen, was bedeutet, daß die Anolytzuführung an der Öffnung P3, die Anolytableitung an der Öffnung P6, die Katholytzufürrung an der Öffnung P4 und die Katholytableitung an der Öffnung P5 erfolgen. Auf diese Weise lassen sich die Strömungsmuster der betreffenden Fluids in den Zellenkammern unter Kompensation des Strömungswiderstands in den entsprechenden Neben-Zufluß- und Neben-Ableitdurchgängen ausgleichen.
  • In Fig. 2C ist eine Draufsicht des bipolaren Elektrodenlaminates 130 gezeigt. Die erhabene Anodenoberfläche 131 ist in der Größe so proportioniert, daß ihre Seitenkanten ohne weiteres zu den Seiten des Rahmens 144 passen können, um ein seitliches Lecken des Elektrolyten um die Elektrode herum zu verhindern.
  • In Fig. 2, 2B und 2C ist gezeigt, daß die erhöhten Blektroden, wie z.B. die Anodenschicht 131 in dem bipolaren Laminat 130, eine geringere Höhe besitzen als die Eammern und daß sie so positioniert sind, daß Leitungen (z.B. i47DC, 142 DC gemäß Fig. 2) gebildet sind.
  • Die Anolyt- und die Katholyt-Abgabeeinrichtungen (mit darin enthaltenem Anolyten bzw. Katholyten) sind mit Al bzw. CI bezeichnet. Die den abgegebenen Anolyten bzw.
  • Katholyten führenden Anolyt- bzw. Katholyt-Abflüsse sind mit AO bzw. CO (Anolyt-Abfluß bzw. Katholyt-Abfluß) bezeichnet.
  • Demgemäß gelangt der Anolyt in den Anordnungsstapel durch den Längskanal P7 hinein, und der Katholyt gelangt durch den Längskanal P8 der Platte 91 hindurch. Der Anolyt und der Katholyt verbleiben in diesen Kanälen durch SBI und üben auf die Platte 93 einen Druck aus, bei der der Anolyt den Querkanal 37 zu der Öffnung P3 hin durchströmt und bei der der Katholyt den Querkanal D48 zu der Öffnung P4 hin durchströmt.
  • Der Anolyt und der Katholyt gelangen in Längsrichtung durch 531 über die Kanäle P3 bzw. P4 zurück. Dabei werden die betreffenden Fluids an die Einheitszellen mittels Verzweigungszuflüsse verteilt, wie sie in Verbindung mit Fig. 2B und 2 oben beschrieben worden sind. Nach Passieren der Einheitszellen und Erzeugung einer elektrischen Leistung in diesen Zellen treten der Anolyt und der Katholyt über Zu£lußverzweigungen in Rückführwege P5 bzw. P6 ein, gelangen dann durch die Querkanäle 26 bzw.
  • 15, sodann durch die Querlängswege P1 und P2 und sodann wieder aus dem Zellenstapel auf der Außenseite der Platte 91 heraus, wie dies durch die Linien AO bzw. CO veranschaulicht ist.
  • In jeder der Anolyt- und Katholyt-Kammern sind Trenngitter (nicht dargestellt) enthalten, die verhindern, daß die flexible Diffusionsbarriere so ausgelenkt wird, daß sie in Kontakt mit anderen ihr gegenüberliegenden Elektroden gelangt. Geeignete Gitter umfassen Gitter der Bezeichnung Dupont Vexar Modell 10 PDS 169; diese Gitter bestehen aus Polyäthylenfäden hoher Dichte mit einer Querschnittsabmessung von 254/um und einem Rautenmuster mit 16 Fasern auf 25,4 mm. Dies bringt eine Porosität von 9026 mit sich. Das betreffende Netz kann in verschiedenen Wellentiefen gewellt sein, um an unterschiedliche Volumen der Hercules-Delnet-Sorte angepaßt zu sein, die aus geprägter und gereckter Polypropylenfolie, Modell GQ 330, besteht und die bei einer Porosität von 75% eine Dicke von 254 u bis 305 um besitzt. Dabei sind durch einen erhabenen Block Vorsprunge in irgendeiner gewünschten Trennungstiefe geprägt.
  • Die Anolyten- und Katholyten-Kammer können unter unterschiedlichem Druck stehen, um eine Vorspannung entgegen der Diffusion von unerwünschten Ionensorten zu erreichen.
  • Eine derartige Druckdifferenz kann durch Verwendung unter schiedlicher Pump engrößen und/oder Pumpge schwindigkeiten, Strömungsdurchgangsgrößen oder durch Drosselventile er reicht werden.
  • Eine Alternative oder Ergänzung zu der Di£ferenzdruck-Diîfusionsunterdrückung besteht in der Verwendung einer Mittelkammer (nicht dargestellt) je Einheitsbrennstoffzelle zwischen den Anolyt- und Katholyt-Kammern, wobei die betreffende Mittelkammer von den anderen Kammern durch Diffusionsbarrieren oder durch grobere Kolloidbarrieren getrennt sind. Derartige Mittelkammern können, sofern sie verwendet werden, mit ihren eigenen Umwä}zsystemen und Filtern vorgesehen werden, um gewisse Diffusionssorten einzufangen, oder sie können derart unter Druck gesetzt werden, daß eine Unterarückung in jeder Richtung erfolgt.
  • Die inneren Widerstände in der Umwandlungsanordnung können die folgenden Komponenten umfassen: Spezifischer Widerstand des Anolyten: z.B. 2 bis 6 Ohm ~ 26,4 mm bei zunächst 20; NaCl in Wasser, gemittelt über den Betrieb einer Umwandlungsanordnung.
  • Spezifischer Widerstand des Katholyten: Beispielsweise 4 bis 10 Ohm ~ 26,4 mm für 4 Mol Fell3 in Wasser, gemittelt über den Betrieb einer Umwandlungsanordnung.
  • Widerstand von ca. 387 cm2 (entsprechend 60 Quadratzoll) der Trenneinrichtung: Etwa 0,05 Ohm ~ 26,4 mm für einen etwa 0,254 mm (entsprechend 0,010 Zoll) dicken 3056 DARAMIC-Stoff, der mit einer 25,obigen NaCl-Lösung oder äquivalenten Lösung gesättigt ist.
  • Andere Verluste ergeben sich ausgrund der Pumpanforderungen zur Bewegung der Elektrolyten. In einem typischen Fall von Elektroden mit etwa 387 cm2 (entsprechend 60 Quadratzoll) und einer Stromlieferung von 0,5A/Quadratzoll bewegen die Pumpen den Anolyten in einer Menge von 0 bis 1 cm3/sec/Zelle, und der Katholyt wird in einer Menge von 1 bis 2 cm³/sec/Zelle bewegt. Dies erfolgt unter einer Fallhöhe von ca.2,4 bis 3 m (entsprechend 8 bis 10 Fuß) bei einer Druckdifferenz zwischen dem Anolyten und Katholyten entsprechend 0,3 bis 0,6 m Fallhöhe.
  • Der Abstand in den Elektrolytenkammern zum Zwecke der Widerstandsberechnung ändert sich während der Entladung.
  • Der Anoden-Trennelement-Abstand wächst von ca. 0,38 mm (entsprechend 0,015 Zoll), wenn Metall verbraucht wird, das während der Ladung zuvor niedergeschlagen worden ist.
  • Strömungsrate 2 cm3/sec von 414 FeCl3 entspricht einer Reaktionsmittel-Abgaberate von 0,008 Gewichtsäquivalent pro Sekunde oder etwa 30 ew/h. Bei 30A (1/2A/6,452 cm2) wird gerade über 1ew/h verbraucht (27 Ah = leu). Eine derartige Speiserate beträgt etwa dann das 30fache der stö#chiometrischen Forderung; in jedem Falle sollte sie zumindest das Zehnfache betragen. Mit Rücksicht auf die Fe +# -Konzentration erfolgt ein Übergang von 4M auf etwa 0,5 N. Dabei ergibt sich ein Zehntel einer Grammolekülladung pro Durchgang.
  • Die lektrolytenströmung von einem Behälter zum anderen hängt von der Kombination der Einstellungen ab.
  • Im normalen Betrieb befinden sich die Ventile in folgenden Einstellungen: Ventil A Stellung Nr. 1 oder Nr. 2 Ventil B Stellung Nr. 1 oder Nr. 2 Ventil C Stellung Nr. 2 oder Dir. 1 Ventil D Stellung Nr. 2 oder Nr. 1.
  • In der ersten Reihe von Einstellungen liegt das Filter Fa in dem Anolytenkreis, und das Filter Fb liegt in dem Katholytenkreis. Befinden sich die Ventile in der zweiten Reihe von Einstellungen, so liegen die Filter in den entgegengesetzten Kreisen.
  • Wenn es erforderlich wird, einen gewissen Anolytenanteil in den Katholytenkreis oder umgekehrt zu übertragen, werden die Ventile in die in Frage kommenden Stellungen eingestellt. Wenn beispielsweise die Ventile in folgenden Stellungen eingestellt sind: Ventil A Stellung r. 1 Ventil B Stellung Kr. 1 Ventil C Stellung Nr. 1 Ventil D Stellung Nr. 2, dann tritt eine solche Elektrolytströmung auf, daß der Katholyt nicht aus seinem Tank bzw. Behälter abfließt, während der Anolyt nicht nur durch Fa in seinen Tank fließt, sondern auch durch Fb, durch die Katholyten-Kammer und in dem Katholyten-Tank hinein. Damit tritt eine tatsächliche Überleitung des Anolyten in den Katholyten-Vorratsbehälter über die beschriebenen Wege auf. Wenn die Ventile Vc und Vd in die Stellungen Nr.2 bzw. Nr. 1 gebracht sind, wird der Katholyt zu dem Anolyt-Tank hingeleitet.
  • Die sechzehn möglichen Stellungskombinationen führen zu einer großen Anzahl von Betriebsarten. Ein verfügbarer Kreis zur vollständigen Durchmischung beider Blektrolyten ergibt sich bei der folgenden Ventileinstellungskombination: VA Stellung Nr. 2 V3 Stellung Iir. 1 VC Stellung iir. 1 VD Stellung Nr. 2 Bei dieser, in Fig. 4 dargestellten Konfiguration liegen sämtliche Kreise in einem großen, einzelnen Reihenkreis.
  • Die Elektrolyten werden zu einem einzigen Fluid innerhalb einer ziemlich kurzen Zeitspanne.
  • Die beiden Umwälzpumpen sind unterhalb der Prufstandplattform angeordnet, um schnell mitgenommen werden zu können. Nahe der Auslaßverbindungen zu den beiden Tanks sind Ablaßhähne vorgesehen, so daß das System leicht abgelassen und durchspült werden kann. Ls ist aber auch möglich, daß das betreffende System dazu benutzt wird, periodisch Proben des Elektrolyten zum Zwecke der Überprüfung oder Analyse bereitzustellen.
  • Die Fluidtanks können derart miteinander verbunden sein, daß jegliche tatsächlich Elektrolytenströmung infolge Diffusion durch das poröse Trennelement durch automatisches Überlaufen in den in Frage kommenden Tank kompensiert werden kann. Auf diese Art und Weise existiert keine Möglichkeit eines Tank#u#berlaufs oder einer vollständigen Anolyten oder Katholytenverarmung während langer Testperioden. Die Tankvolumen sind für maximale Fluidmengen ausgelegt, die beim Betrieb einer Zehn-Zellenanordnung praktisch zu erwarten sind.
  • Der Anolyt-Tank weist ein ausnutzbares Volumen von etwa 2 bis 3 Liter auf, und der Katholyt-Tank weist ein ausnutzbares Volumen von etwa 6 Gallonen oder 24 Litern auf. Für eine iSinzelzellen-Überprüfung können gesonderte 2- bis 4-Liter-Tanks an den Prüfstand angeschlossen werden. ms ist aber auch möglich, die hergestellten Tanks mit sehr niedrigen Flüssigkeitspegeln zu verwenden. Die Tanks werden zur Luft hin belüftet, und an der mittleren Austrittsöffnung der Zellen erfolgt eine Gasentlüftung. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung unerwünschter Druckdifferenzen über das Trennelement bzw. die Barriere oder im Hinblick auf den Zelleneingang und den Zellenausgang minimiert.
  • Die Filter sind Ai##-Cuno-Wasserfilter mit Patronen, die insbesondere so ausgelegt sind, daß partikelförmige Stoffe in der Größe und Form von i£1isenoxiden beseitigt werden. Diese Filter liegen in einer völligen Kunststoffkonstruktion vor; sie werden für einen Patronenaustausch leicht entleert. Die betreffenden Filter fassen etwa ein Liter Fluid; sie umfassen einen beträchtlichen Teil des Gesamtfluids für kleine Einrichtungen. Diese Filter können in der Größe dadurch vermindert werden, daß der untere Teil des Gehäuses bis zu einer gewünschten Länge abgeschnitten wird, daß eine neue Grundplatte angebracht wird und daß sodann die Filterpatronen in Anpassung an die kürzere Länge angepaßt werden.
  • In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Srfindung veranschaulicht, gemäß der eine Brennstoffzelle 500 zumindest einen t2in-Zellen-Aufbau (vorzugsweise einen Aufbau mit mehreren Zellen) in einer Hauptenergieumwandlungseinrichtung mit einer Anolyten-Kammer 501 und einer Katholyten-Kammer 502 umfaßt. Diese beiden Kammern werden von Pumpen 503 gespeist. Der Anolyt strömt in einem geschlossenen Umwälzltr#is, umfassend den Speichertank 504 und das Filter Fa Der Katholyt strömt in einem geschlossenen Umwälzkreis, der das Filter F6 und einen Vorratsbehälter 505 aufweist.
  • Eine H'lfs- bzw. Zusatzenergieumwandlungseinrichtung 510 umfaßt eine Anol ,-ten-Nammer 511 und eine Katholyten-K#-mer 512; diese Kammern nehmen überlGufsttomungen von weniger als 10,C0, und vorzugsweise weniger als 5, des Durchsatzvolumens von den Haupt-Umwälzelektrolytenströmungen auf. Der Anolyt der Hauptzelle ist in der Hilfszelle der Katholyt, und der Katholyt in der Hauptzelle ist in der Hilfszelle der Anolyt. Die Hilfszelle wird elektrisch gespeist, vorzugsweise durch nsch1uB der Leistungserzeugung der Hauptzelle zur Erzeugung einer Überspannung an der Hilfszelle zum Zwecke der Ü berladung auf das Chlorpotential (2,0 Volt oder höher).
  • Im folgenden werden generelle Beobachtungen angegeben, die bezüglich der auswirkungen von Zitrat auf eine Eisenplattierung und bezüglich der Ablagerung von #lektrolyten festgestellt worden sind: Das Vorhandensein von Natriumzitrat in #lektrolyten in einem Konzentrationsbereich zwischen 25 und 75 g/l reduziert sehr entscheidend und verhindert nahezu vollständig das Ausfällen von unlöslichen Eisenverbindungen unter normalen Bedingungen. Dieses Ergebnis ist während des Zellenbetriebs in dem Anolytkreis beobachtet worden, wobei FeCl2-Lösungen in Behältern zurückblieben, die während längerer Zeitspannen zur Luft hin geöffnet waren.
  • höhere Konzentrationen an Chelat (10 oder mehr Gramm/Liter) rufen eine Eisenplatteirung hervor, die ein schwarzes Aussehen im Unterschied zu der üblicherweise silbrigen oder metallischen endansicht von ç;isenplattierungen hat. Der betreffende Überzug erscheint etw##porös, jedoch ziemlich hart und festhaftend. Es ist kein schnelles Kosten beobachtet worden.
  • Sehr hohe Konzentrationen an Zitrat (60 oder mehr Gramm pro Liter) scheinen eine Plattierung bzw. Schichtbildung hervorzurufen, die zunehmend porös wird und einen nadelartigen Charakter erhält. Die betreffende PlaLlierun; erscheint als relativ stabil in der Luft.
  • Das Fehlen jeglichen Chelat-I,ittels in FeCl2-Lösungen ruft eine Lisenplatierung hervor, die nicht so festhaftend an der Kohlenstoffelektrodenoberfläche ist und die eine platten- oder schindelartige "Struktur" besitzt, welche in kleinen Bereichen leicht abgelöst wird.
  • Wenn die betreffende Struktur der Luft ausgesetzt ist, korrodiert die Plattierung nahezu sofort.
  • Geringe Mengen an Chelat (in der Größenordnung von 1 Gramm/Liter) hat eine deutliche Auswirkung auf die Platierung. aus dieser Lösung erzeugtes Lisen zeigt ein relativ glattes und silbriges Aussehen; es ist überraschenderweise in der Luft stabil und verhält sich als zusammenhängende Metallfläche, die fest an der: Kohlenstoffel ektro densub strat angebracht ist.
  • Auf der Grundlage von Untersuchungen hat sich gezeigt, daß der ursprüngliche Grammole1-.ülbereich der FeCl2-Lösung zwischen 2,5 und 4,0 für eine optimale Zellenleistung anzugeben ist.
  • Das Chelat-Nittel (Natriumzitrat), dessen Konzentration nicht weniger als 10 Gramm/Liter und nicht höher als 50 Gramm/Liter betragen sollte, wird für die besten Auflösungsergebnisse bevorzugt, währenddessen noch akzeptable :Cisenplatierungseigenschaften beibehalten werden.
  • Eine einzelne Zelle mit einer Elektrodenfläche von ca. 387 cm2 (entsprechend 60 Quadratzoll) wird 50 bis 60 Amperestunden Eisen ohne ausgesprochenen Eisendendrit-1#rzschluß speichern. Eine Lösung von 3M FeC12 liefert eine Ladung von etwa 50 bis 35 Ampere stunden, wenn eine Elektrolyse bis zu einer Restkonzentration von etwa 0,8M FeCl2 erfolgt. Demgemäß stellt 3M FeCla in einem Volumen von 2 Litern eine geeignete Menge des Katholyten für zehn Stunden lang dauernde und vier ampere benötigende Entladungsversuche dar.
  • Die Abstandselemente bzw. Barrieren sollten mit einem Befeuchtungs- bzw. Benetzungsmittel (Schaumerzeuger) vorbenetzt sein, das in Methanol, Äthanol oder Hexan für die beste Leistung gelöst ist. Diese Forderung trifft insbesondere bei dem mit Celgard verstärkten Trennelement zu, welches bei mehreren der oben beschriebenen iiinheiten angewandt worden ist.
  • Die Elektrolytströmungsraten sollten nicht weniger als 2 cm /sec bei solchen Zellen sein, die einen Zwischenelektrodenabstand von 2,54 mm (entsprechend 0,1 Zoll) besitzen. Derartige Strömungen erscheinen als angemessen hinsichtlich der Abgabemengen von Ionensorten an den Elektrodenoberflächen bei Stromdichten bis zu 0,2 A/6,452 cm2.
  • Bei Zellen mit einem Zwischenabstand von 2,54 mm (entsprechend 0,10 Zoll) zwischen den Elektroden wird ungünstigerweise nicht in maximaler Weise Gebrauch von dem niedrigen Elektrolytenwiderstand gemacht. iderstandsüberprüfungen bei vollen Zellen zeigen, daß der größte Anteil des Widerstandes das Ergebnis der Elektrodeneigenschaiten ist. Eine Zelle mit einer Fläche von ca.587 cm2 (entsprechend 60 Quadratzoll), die mit einer 2,8 mol-Lösung von FeCl2 gefüllt ist und die keine Barriere bzw. 'lsrennelement besitzt, weist bei 240C einen Gesamtwiderstand von 0,016 Ohm auf. Etwa 0,004 Ohm gehen auf den ! Xlektrolyten zurück, und ein Widerstand im Bereich von 0,008 bis 0,012 Ohm wird durch die Elektrode beigesteuert, und zwar in Abhängigkeit von der Konzentration des Elektrolyten und dem vorhandenen Benetzungsmittel. Wenn ein ebenes Celgard-Trennelement in einer derartigen Zelle verwendet wird, liegt deren Gesamtwiderstand bei etwa 0,o16 Ohm, wobei lediglich ein Drittel dieser Größe durch die Elektrolyten verursacht wird. Ein verstärktes und vorbenetztes Celgard-Trennelement in derselben Zelle führt zu einem Gesamtwiderstand von 0,020 Ohm. Etwa ein Viertel des Gesamtwiderstands wird nunmehr durch den Elektrolyten verursacht.
  • Die Anwendung der Chelatbildung bzw. der sogenannten Scherenbindung umfaßt die Abtrennung von Eisen und/oder anderer verwendeter Überzugs-/Ablösungstnetalle zur Vermeidung einer Oxidation sowie eine zusätzliche Pla#ierung und deren Wiederauflösung. Dabei werden insbesondert-Fe -Ionen vorzugsweise der Scherenbindung ausgesetzt, um sie für die Reaktion Fe+2+2e - Fe unverfügbar zu machen und damit die Wirksamkeit einer ZinLplaltierung zu fördern (wobei Zink- und Eisensalze in dem Anolyten gelöst sind).
  • Chelatbildungsmittel bzw. Mittel für eine Scherenbindung, die für den zuletzt erwähnten Zweck besondere brauchbar sind, umfassen )\ , # - Dipyrridyl 0 - Phenanthrolin Protoporphyrin Nitro - 0 - Phenanthrolin.
  • Als Hemmungsstoffe der Sauerstoffverbindungen von Eisen kann man Zitrate, Tartrate, Oxalate, Azetate, Amine, Pyrrolidin, ammoniumsulfat, Fluoride, Thiozyanate und jltherketten verwenden.
  • Zusätzlich oder anstelle der pH-Regulierung zum Zwecke der Vermeidung der Ausbildung von unlöslichen Eisen verbindungen umfaßt die Erfindung den Ausschluß von Luft aus dem System durch hermetische Abdichtung und Verwendung eines von Wasser verschiedenen Lösungsmittels für das Salz. Alkohol ist ein derartiger möglicher Stoff . Dabei werden keine H+- oder OH -Ionen gebildet, und es treten keine elektrolytischen Zersetzungsprodukte von Methanol oder Äthanol unter Reaktion mit Eisen auf. FeCl2 (wasserfrei) ist in Alkohol löslich, wobei etwa 100 g Salz auf 100 ml Lösungsmittel kommen. FeCl ist ebenfalls in Alkohol vollständig lösbar.
  • Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung betrifft die Kathodenfläche (das ist die Oberfläche der positiven Elektrode). Diese Oberfläche muß gewisse nigenschaften aufweisen, die bewirken, daß die Reaktionen unter minimaler Verkümmerung und Verunreinigungs oder Strömungsauswirkungen ablaufen. Die folgende elektrochemische Halb-Zellenreaktion läuft ab: Während des Ladens läuft eine Oxidation von Während des entladens findet eine Reduktion von Fe+ (#isen-III-Ionen) statt.
  • Während jedes dieser Vorgänge werden keine Eisenionen, Fe+2 oder Fe+3 an dieser lektrodenoberfläche infolge der elektrischen Feldgradienten oder der elektrischen Polaritätsanziehung angezogen, da die illektrode (Kathode) positiv (+) wie die lonenladungen ist. Stattdessen werden Chloridionen veranlaßt, durch die elektrischen Felder und Ströme zu der Kathode zu wandern. In Fig. 6A und 63 ist diese Situation für einen Ladevorgang bzw.
  • Entladevorgang graphisch veranschaulicht. Da die Eisenionen nicht an die slektrodenoberfläche abgegeben werden, an der der Oxidations- oder Reduktionsprozeß abläuft, müssen sie mechanisch, beispielsweise ~physikalischfl mittels einer Fluidzwangsströmung und durch thermische oder molekulare Diffusion abgegeben werden. Sodann wird der Elektrolyt veranlaßt, nahe der Kathodenoberfläche und über dieser Oberfläche zu strömen und eine gute Durchmischung und Abgabe von Reagenzien zu bewirken.
  • Die Elektrodenoberfläche muß die folgenden sigenschaft aufweisen: Eine hohe Elektronenleitfähigkeit> eine niedrige Austrittsarbeit für den Oxidations-Reduktions-Elektronenaustauschprozeß, chemische Trägheit, leichte Herstellbarkeit und Anbringbarkeit an dem leitenden Substrat, geringe Kosten verursachende, leicht verfügbare Materialien, eine physikalische Struktur, die den erforderlichen Transportmechanismus optimiert. Die Oberfläche der Kathode sollte nicht nur so groß wie möglich pro Elektrodenvorderfläche sein, sondern sie muß auch für die zinströmung von Be+2-Ionen und für die Ausströmung von Fe+ 3-Ionen während des Ladebetriebs und für ein entgegengerichtetes Strömungsmuster während der Entladung verfügbar und zugänglich sein.
  • Eine wirksame Kathodenoberfläche in Begriffen derartiger Kriterien wird mit einer OL-Holhkohle der Maschengröße 40 bis 80 erreicht, wie sie von der Firma Calgon Corp.
  • hergestellt wird und an der Oberfläche eines leitenden Graphit-Kunststoffsubstrats angebracht ist. Mit derartigen Kathoden werden Polari sationsspannungsabfälle von weniger als 0,01 bis 0,02 Volt stets bis zu Stromdichten von 1A/6,452 cm2 bei Zellen erhalten, die bis zu 80-90Só entladen sind, oder mit Katholytkonzentrationen in der Größenordnung von 0,5 bis 1,0 M FeCl3.
  • Die Substratzusammensetzung ist ebenfalls von Bedeutung; folgende Substratzusammensetzungen (bezüglich der Anode und Kathode), bei denen Polyvinylchlorid anstelle teurerer Fluor-Kohlenwasserstoff-Bindemittel ersetzt ist, ermöglichen eine Kostenherabsetzung; ihre spezifischen Widerstände weisen dabei folgende Werte auf: Dixon Graphit Nr. 1112 ungefähr 30 Gewichtsprozent Diamond Shamrock PVC-Harz Nr. 500 ungefähr 70 Gewichtspro zent Bahnwiderstand in Richtung der Blattebene = 0,025 Ohm ~ 25,4 mm Dixon Graphit lir. 8485 etwa 7050' Diamond Shamrock PVC Nr. 71AH ungefähr 30% q 0,053 Ohm ~ 25,4 mm Graphit Nr. 8485 60% B.F. Goodrich PVC Nr. 124 4096 = 0,07 Ohm ~ 25,4 mm Graphit Nr. 8485 50% Goodrich Nr. 124 70% 0,29 Ohm ~ 25,4 mm Graphit Nr. 8485 70% Goodrich PVC Nr. 126 50% k = 0,11 Ohm ~ 25,4 mm Graphit Nr. 8485 50% Goodrich PVC Nr. 124 500,0' = = 0,13 Ohm ~ 25,4 mm Diese Platten werden in einer Eehälterform mit einer Fläche von etwa 645 cm2 (entsprechend 100 Quadratzoll) unter folgenden Bedingungen gepreßt: Gesamtkraft ca. 15 Tonnen, Temperatur ca. 1770C, Preßzeit ca. 10 Minuten.
  • Die trockenen Pulver werden in einem PK-I4ischer 15 tiinuten lang mit einer sich drehenden Mischstange vermischt.
  • Alle diese Materialien erscheinen mechanisch relativ fest; sie sind möglicherweise für das Brennstoffzellensystem geeignet. Ein maximaler Widerstandswert im Bereich von 0,10 Ohm ~ 25,4 mm erscheint für den Substratwiderstand unter folgenden Kriterien als praktisch: Die Elektroden sollten nicht mehr als 10% zu dem Gesamtwiderstand einer Zelle beitragen; die Elektroden können eine Dicke im Bereich von ca. 1,3 mm (entsprechend 0,05 Zoll) haben, der spezifische Widerstand bzw. Raumwiderstand von Graphitzusammensetzungen kann fiinfbis zehnmal größer in der senkrecht zu der Schicht verlaufenden Richtung sein als der in der Ebene der Platte gemessene Wert. Der Elektrolytwiderstand wird in der Größenordnung von 2 bis 6 Ohm . 25,4 mm liegen.
  • Bei jeder der vorstehend erläuterten Ausführungsformen der :Erfindung kann der Ladezustand durch das absolut und direkt anzeigende Anzeigesystem gemäß Fig. 7A ermittelt werden oder durch das Vergleichsanzeigesystem gemäß Fig. 7B. In beiden Fällen ist eine (farbige) Lichtquelle LS vorgesehen, deren Licht durch ein Filter F hindurch tritt und durch den Elektrolyten in einer oder mehreren Absorptionszellen AS gelangt (nach Reflektieren durch einen Strahlteilerspiegel BS im Falle der Fig. 7B). Sodann gelangt das Licht zu einer oder mehreren Photozellen PC hin, die einen Verstärker A speist bzw. speisen. Der Verstärker speist ein Anzeigemeßinstrument M. Dabei wird entweder das betreffende Signal angezeigt, oder es wird ein den korrelierten Ladungszustandsübergang angebendes elektrisches Signal einer automatischen Steuereinrichtung zugeführt (hier nicht dargestellt). Die Systeme sind in Übereinstimmung mit dem BEERschen Gesetz I = Io e geeicht, wobei Io die Stärke des auf die Photozelle AS einfallenden Lichtes, I die Durchgangslichtstärke, X die Absorptionszellendicke und > die Elektrolyt-Absorptionsfähigkeit bedeuten, die hinsichtlich der Konzentration des gelösten Stoffes eichbariist (und insbesondere unter Unterscheidung von Fe+2 und Fe+3 in Verbindung mit derartigen Konzentrationsmessungen) und demgemäß hinsichtlich des Ladezustands (oder #ntladezustands).
  • Xine derartige Ladezustandsmessung kann auch elektrisch ausgeführt werden, indem das Elektrolytpotential in bezug auf eine Bezugselektrode gemessen wird.
  • Durch die vorliegende Erfindung ist ein augenblicklich nachtankbares Energieumwandlungssystem mit einer Mehrfachzellenanordnung geschaffen, bei der jede Zelle eine Kathode, einen festen Anodenbrennstoff, der aus der Eisen, Zink und Nickel umfassenden Klasse ausgewählt ist, und ein flüssiges n#isen-III- (und/oder +9 Valenziqickel- oder Zink-)-Chlorid-Oxidationsmittel umfaßt.
  • Bei einer Leistungsabgabe ( Entladung), bei der beispielsweise lediglich Eisen allein verwendet wird, laufen folgende Reaktionen ab: der Anode, was zu o,4L vt führt, an der Kathode, was zu 0,75V rt. Die Gesamtreaktion ist dabei gegeben durch: das heißt, daß sich eine Gesamtspannung von 1,2 V ergibt.
  • Diese Reaktionen sind für elektrische Ladungszwecke reversibel. Das Oxidationsmittel bzw. der Sauerstoffträger wird ständig umgewälzt, und die chemische Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem festen Brennstoff bei vollständig geladenem oder teilweise geladenem System wird durch eine Diffusionsbarriere zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff derart begrenzt, daß die dazwischen ablaufenden Reaktionen hauptsächlich elektrochemische Reaktionen sind. Das System ist dadurch charakterisiert, daß ständig der Neigung des Anstiegs des pH-Wertes des Anolyten und/oder der dabei auftretenden Verunreinigungsmittel-Änsammiung entgegengewirkt wird, um einen stabilen Betrieb über lange Zeitspannen hinweg aufrechtzuerhalten. Dazu werden beispielsweise ein Hauptenergieumwandlungssystem und ein übersteuertes 13ilÎsenergieumwandlungssystem verwendet, bei dem ein anolyt als Katholyt verwendet ist, der zugleich der Katholyt des Hauptsystems ist, was unter dem Vertrauen auf die Reichh&ltigkeit der Flüssigkeit an Wasserstoffionen und ioncn hinsichtlich des chemischen Angreifen jeglichen elementaren Lisens zutrifft, das durch das Hilfssystem.
  • gebildet wird. Dadurch wird die Stabilität weiter erhalten. Das linsen kann gänzlich oder teilweise durch Zink und/oder Nickel substituiert sein. Leerseite

Claims (13)

  1. Patentansprüche 1. Energieumwandlungsvorrichtung, gekennzeichnet durch zumindest eine einzelne elektrolytische Zelle festlegende Sinrichtungen (10, 11, 12) mit durch eine Diffusions-Trenneinrichtung (145) voneinander getrennten Anolyt- und Katholyt-Kammern (141,142), durch Einrichtungen (111, 113, 114, los), die in der betreffenden Kammer zusammengesetzte Anoden- und Kathoden-Kunststoffelektroden festlegen, durch Einrichtungen (13,14,45,46), die Anolyt- und Katholyt-Flüssigkeiten in geschlossenen Kreisläufen umwälzen, in denen die betreffenden Kammern liegen, durch Umwälz- und Nassenspeichereinrichtungen (11,12,13,14) für die betreffenden Fluids, die durch Metallsalzlösungen gebildet sind, welche während des Anlegens eines Ladepotentials an die Elektroden ein Metall auf der Anode niederschlagen und während des Entladens das ERetall ablösen und in dem Anolyten unter Ändern der Valenzzustände innerhalb des Katholyten ohne eine Plattlierung wieder auflösen, durch elektrolytische Einrichtungen, mit Hilfe derer das Katholyt-Molgewicht zwischen 2,0 und 4,0 gehalten wird, und durch Einrichtungen, die eine Oxidation des niedergeschlagenen/abgelösten Metalls unter Begegnung einer Polarisation verhindern und die Reversibilität über eine ausgedehnte Lade/Entladeperiode aufrechterhalten.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die eine elektrolytische Hilfseinrichtung mit zumindest einem einzigen Zellenpaar aus Anolyt- und Katholyt-Kammern festlegen, welche durch eine Diffusionstrenneinrichtung voneinander getrennt sind und in diesen Kammern eine Anoden- bzw. Kathoden-Elektrodenanordnung aufweisen, daß mit den Anoden-und Kathoden-Blektroden eine Leistungsabgabeeinrichtung verbunden ist, die an die betreffenden Elektroden eine Überspannung im Vergleich zum vollen Ladepotential des elektrochmischen Paares der elektrolytischen Haupteinrichtung abzugeben vermag, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die einen geringen Anteil des umlaufenden Anolyten der elektrolytischen Haupteinrichtung durch die elektrolytische Hilfseinrichtung führt und den betreffenden Teil des Anolyten in den Umwälzkreis der elektrolytischen Haupteinrichtung zurückführt , daß die elektrolytische Hilfseinrichtung so gepolt ist, daß der Anolyt von der elektrolytischen Haupteinrichtung durch die Katholyt-Kammer der betreffenden elektrolytischen Hilfseinrichtung derart gelangt, daß der pH-Wert des Anolyten der elektrolytischen Haupteinrichtung durch elektrolytische Erzeugung von Wasserstoffionen in der elektrolytischen Hilfseinrichtung unter Entgegenwirkung zu der Neigung größer werdenden pH-Wertes der elektrolytischen Haupteinrichtung abnimmt und ein stabiler Betrieb bei hohem Wirkungsgrad über lange Zeitspannen sichergestellt ist, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, die im wesertlichen ständig einen Elektrolyten durch die Anolyten-Kammer der Hilf seinrichtung leiten.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinrichtungen, die kontinuierlich einen Elektrolyten durch die Anolyten-Kammer der elektrolytischen Hilfseinrichtung leiten, eine Ableiteinrichtung umfassen, die aus dem umlaufenden Katholyten der Elektrolytenhaupteinrichtung einen geringen Anteil dieses Katholyten ableitet und an den umlaufenden Katholyten wieder zurückzuführen gestattet.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeleiteten Elektrolytströme weniger als 10% der Hauptströme der betreffenden Elektrolyten umfassen, aus denen sie abgeleitet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anolyt und der Katholyt zumindest ein Kation, welches aus der Eisen, Nickel und Zink enthaltenden Gruppe, und ein Chlorid-Anion enthalten.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anolyt Eisen- und Zinkkomponenten umfaßt, die als Legierungsschicht auf der Anode beim Laden sich niederschlagen und die beim Entladen sich weitgehend reversibel in dem Anolyten wieder lösen.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ableiteinrichtungen (45) vorgesehen sind, die den Katholyten aus den Katholyten-Kammern zurück in seinen Vorratsbehälter bei der Leistungserzeugungsabschaltung zurückführen.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Umlaufkreisen für den Anolyten und den Katholyten Filtereinrichtungen (Fa, Fb) vorgesehen sind, und daß Schalteinrichtungen vorgesehen sind, die periodisch die Filtereinrichtungen zwischen die betreffenden Umlaufkreise zum Zwecke der Brmöglichung einer chemischen Reinigung derartiger Filtereinrichtungen zu schalten gestatten.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein wässeriges Lösungsmittel in der Anolyten-Lösung enthalten ist.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht wässeriges Lösungsmittel in der Anolyten-Lösung enthalten ist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anolyten-Lösung ein solches Scherenbindungs (Chelatbildungs )-#tittel enthalten ist, das unter Abtrennung des Pattierungs-/ Ablösungs-Metalls eine gesteigerte Plattierung und Wiederauflösung des betreffenden Metalls unter Verhinderung der Oxidation des Metalls erzielt ist.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrfachzellenanordnung vorgesehen ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zellen der Mehrfachzellenanordhung unter Verwendung von bipolaren Elektroden (130) Rücken an Rücken angeordnet sind.
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