DE2927868A1 - METHOD FOR STORING AND RELEASING ELECTRICAL ENERGY AND A BATTERY SUITABLE FOR THIS - Google Patents
METHOD FOR STORING AND RELEASING ELECTRICAL ENERGY AND A BATTERY SUITABLE FOR THISInfo
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Description
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PATKNTANWÄLTE g 9 2 7 8 6 §PATKNTANWÄLTE g 9 2 7 8 6 §
J. RBITSTÖTTER W. KINZBBACHJ. RBITSTÖTTER W. KINZBBACH
W. BUNTE (1958-1976) K. P. HÖLLERW. BUNTE (1958-1976) K. P. HÖLLER
TELEFON: (08Θ) 37 85 83 jTELEPHONE: (08Θ) 37 85 83 j
BAUKRSTRASSE 22. βΟΟΟ MÜNCHEN ΛΟ BAUKRSTRASSE 22. βΟΟΟ MUNICH ΛΟ ,,
München, 10. Juli 1979 M/20 199Munich, July 10, 1979 M / 20 199
ORONZIO DE NORA IMPIANTI
ELETTROCHIMICI S.p.A.
Via Bistolfi 35ORONZIO DE NORA IMPIANTI
ELETTROCHIMICI SpA
Via Bistolfi 35
20134 Mailand
Italien20134 Milan
Italy
Verfahren zur Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie und dafür geeigneter AkkumulatorProcess for storing and releasing electrical energy and more suitable for it accumulator
ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
M/20 199 - 8 - 2327868M / 20 199 - 8 - 2327868
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie in einer elektrochemischen Zelle sowie einen für dieses Verfahren geeigneten Akkumulator.The present invention relates to a method for storing and releasing electrical energy in an electrochemical Cell and an accumulator suitable for this process.
Es ist bekannt, daß man einen Akkumulator herstellen kann unter Ausnutzung von elektrochemischen Reduktions- und Oxida- i tionsvorgängen, die im wesentlichen in flüssiger Phase ablaufen* unter Verwendung von löslichen Salzen von Metallen, die ver- ! schiedene Oxidationszustände aufweisen. Beispielsweise arbeitet! ein Chrom-Redox-Akkumulator nach der folgenden elektro-chemisehen Reaktion:It is known that an accumulator can be produced using electrochemical reduction and oxide i tion processes that essentially take place in the liquid phase * using soluble salts of metals that have different oxidation states. For example, works! a chromium-redox-accumulator according to the following electro-chemisehen Reaction:
Ladungsstufe:Charge level:
4Cr2(SO4)3 + 7H2O ^-> 6 CrSO4 + H2Cr2O7 + 6 H2SO4 4Cr 2 (SO 4 ) 3 + 7H 2 O ^ -> 6 CrSO 4 + H 2 Cr 2 O 7 + 6 H 2 SO 4
Entladungsstufe:Discharge level:
6CrSO4 + H2Cr2O7 + 6 H2SO4 ^-> 4 Cr2(SO4J3 + 7 H2O6CrSO 4 + H 2 Cr 2 O 7 + 6 H 2 SO 4 ^ -> 4 Cr 2 (SO 4 J 3 + 7 H 2 O
mit einer elektromotorischen Kraft von etwa 1,74 Volt.with an electromotive force of about 1.74 volts.
Ein Eisen-Titan-Redox-Akkumulator arbeitet gemäß der folgenden elektrochemischen Reaktion:An iron-titanium redox secondary battery operates according to the following electrochemical reaction:
Ladungsstufe: FeCl2 + TiCl3 ——>> FeCl3 + TiCl2 Charge level: FeCl 2 + TiCl 3 —— >> FeCl 3 + TiCl 2
Entladungsstufe: FeCl3 + TiCl2 ——> FeCl2 + TiCl3 Discharge level: FeCl 3 + TiCl 2 —— > FeCl 2 + TiCl 3
mit einer elektromotorischen Kraft von etwa 1,14 Volt.with an electromotive force of about 1.14 volts.
Die Redox-Akkumulatoren haben den grundlegenden Vorteil, daß die Reaktion vollständig in Lösung abläuft und sich währendThe redox accumulators have the fundamental advantage that the reaction proceeds completely in solution and during
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den Ladungs- und Entladungsstufen keine chemischen Verbindungen auf den Elektroden abscheiden oder von diesen abgelöst werden. Darüber hinaus werden an den Elektroden keine Gase freigesetzt. Deshalb werden Probleme, die üblicherweise bei anderen Akkumulatortypen auftraten, wie z.B. Morphologie von metallischen Abscheidungen auf Elektroden, Gasentwicklung an den Elektroden mit dem einhergehenden Blaseneffekt, sowie die Entfernung des Gases und die Lagerung, vermieden.no chemical compounds in the charge and discharge stages deposit on the electrodes or be detached from them. In addition, no gases are released from the electrodes. Therefore problems that are common with other types of accumulators occurred, such as the morphology of metallic deposits on electrodes, gas development on the electrodes with the accompanying bubble effect, as well as the removal of the gas and storage, avoided.
Leider sind die Redox-Akkumulatoren nach heutiger . Auffassung ziemlich sperrig und zur Herstellung von Akkumulatoren mit hoher spezifischer Leistung ungeeignet. Darüber hinaus bedingen die Anwesenheit einer Trennvorrichtung oder einer Membrane, die die beiden Zellenabteile abgrenzt und - wegen des Massentransports - die Notwendigkeit eines raschen Elektrolytflusses über die Elektroden, zur Vermeidung von Elektrodennebenreaktionen, wie z.B. die Entwicklung von Wasserstoff an der Anode oder die Chlor- und Sauerstoffentwicklung an der Kathode, solche Elektroden- und Elektrodenspaltabmessungen, daß die Zellen sehr sperrig werden. Darüber hinaus ist der Ohm'sche Spannungsabfall im Elektrolyten erheblich und trägt in starkem Maße zur Erniedrigung der Leistungsfähigkeit des Akkumulators bei.Unfortunately, the redox accumulators are according to today. Considered rather bulky and unsuitable for the manufacture of accumulators with high specific power. About that also require the presence of a separator or a membrane that delimits the two cell compartments and - because of the mass transport - to avoid the need for a rapid flow of electrolyte over the electrodes of secondary electrode reactions, such as development of hydrogen at the anode or the evolution of chlorine and oxygen at the cathode, such electrode and electrode gap dimensions, that the cells become very bulky. In addition, the ohmic voltage drop in the electrolyte is considerable and contributes to a large extent to lowering the Capacity of the accumulator.
Bei bekannten Akkumulatoren besteht die Elementarzelle im ; wesentlichen aus zwei Abteilen, die durch eine mikroporöse, inerte Trennvorrichtung oder vorzugsweise eine Ionenaustauschmembrane getrennt werden. Im allgemeinen sind die Elektroden in den Abteilen in einem gewissen Abstand von der Trennvorrichtungs- oder Membranoberfläche angeordnet, so daß die Elektralyte in den Zwischenräumen zwischen der Elektrodenoberfläche und der Membranoberfläche zirkulieren können. Oft werden auch poröse Elektroden verwendet, wobei der Elektrolyt durch die Elektrode fließt. Der Elektrodenspalt ist daher notwendigerweiseIn known accumulators, the unit cell consists of ; essentially of two compartments which are separated by a microporous, inert separating device or preferably an ion exchange membrane. In general, the electrodes in the compartments are spaced from the separator or membrane surface so that the electralytes can circulate in the spaces between the electrode surface and the membrane surface. Porous electrodes are also often used, with the electrolyte flowing through the electrode. The electrode gap is therefore necessary
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groß und demzufolge von einem hohen Ohm'schen Spannungsabfall im Elektrolyt begleitet.large and consequently of a high ohmic voltage drop accompanied in the electrolyte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen neuen verbesserten Redox-Akkumulator mit hoher Stromdichte und niedrigen Ohm'schen Verlusten zu schaffen und bei dem die Elektroden mit der Membrane in Kontakt stehen oder vorzugsweise an sie aebunden sind.The object of the present invention is therefore to provide a new, improved redox accumulator with a high current density and to create low ohmic losses and in which the electrodes are in contact with the membrane or, preferably, are bound to it.
Eine weitere Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ein neues verbessertes Verfahren zur Speicherung und/oder Freisetzung von Energie in einer elektrochemischen Zelle zu schaffen.Another object on which the present invention is based is to provide a new, improved method for To store and / or release energy in an electrochemical cell.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden.Further objects and advantages of the invention can be found in the description below.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung und Freisetzung von Energie, bei welchem die Speicherung dadurch erfolgt, daß man das Anodenabteil einer elektrochemischen Zelle, welche aus einem Anodenabteil und einem Kathodenabteil besteht, die durch eine semi-permeable Ionenaustauschmembran voneinander getrennt sind und eine lösungsdurchlässige Anode aufweist, die aus einer dünnen, porösen Schicht eines elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Pulvers besteht und auf der Anodenseite der Membrane aufgebracht ist, mit einer Anolytlösung einer oxidierbaren Verbindung, die im wesentlichen in dem Anolytlösungsmittel gelöst bleibt und aus ihrer oxidierten Form reduziert werden kann,The present invention relates to a method for storing and releasing energy, in which the storage takes place in that the anode compartment of an electrochemical cell, which consists of an anode compartment and a Cathode compartment consists, which are separated from one another by a semi-permeable ion exchange membrane and has a solution-permeable anode, which consists of a thin, porous There is a layer of an electrically conductive, corrosion-resistant powder and is applied to the anode side of the membrane, with an anolyte solution of an oxidizable compound which is essentially dissolved in the anolyte solvent remains and can be reduced from its oxidized form,
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beschickt, zur Oxidation der Anolytlösung ein elektrisches Potential zwischen der Anode und der Kathode anlegt, die oxidierte Anolytlösung aus dem Anolytabteil entfernt und speichert, das Katholytabteil mit einer Katholytlösung einer reduzierbären Verbindung, die im wesentlichen in dem Katholytlösungsmittel gelöst bleibt und aus ihrer reduzierten Form oxidiert werden kann, und die reduzierte Katholytlösung aus dem Katholytabteil entfernt und speichert, und bei welchem anschließend die Energie dadurch freigesetzt wird, daß man den oxidierten Anolyten durch das Anolytabteil und den reduzierten Katholyten durch das Kathodenabteil zirkulieren läßt, während das sich dabei zwischen der Anode und der Kathode ausbildende Potential einen Strom durch einen äußeren Stromverbraucher fließen läßt. charged, an electric one to oxidize the anolyte solution Potential applied between the anode and the cathode, the oxidized anolyte solution removed from the anolyte compartment and stored, the catholyte compartment with a catholyte solution reducible compound, which is essentially in the catholyte solvent remains dissolved and can be oxidized from its reduced form, and the reduced catholyte solution removed from the catholyte compartment and stored, and in which the energy is subsequently released by being the oxidized anolyte through the anolyte compartment and the reduced one Circulating catholytes through the cathode compartment, while that is between the anode and the cathode forming potential allows a current to flow through an external power consumer.
Die Elektroden stehen in direktem Kontakt mit den Oberflächen der lonenaustauschmembrane und sie bestehen aus einer dünnen, porösen, durchlässigen Schicht eines feinen, pulverförmigen, elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Materials, welches an der Membranoberfläcne festhaftet.The electrodes are in direct contact with the surfaces the ion exchange membrane and they consist of a thin, porous, permeable layer of a fine, powdery, electrically conductive, corrosion-resistant material that adheres to the membrane surface.
Die Vorrichtungen, mit deren Hilfe ein elektrischer Gleichstrom an die Elektroden angelegt wird, sind vorzugsweise Gitter die die Elektrodenoberflächen an einer Mehrzahl von gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Elektroden verteilten Punkten berühren, wobei diese Gitter vorzugsweise mit den Rückplatten der Elektrodenabteile elektrisch verbunden sind. The devices with the help of which a direct electrical current Is applied to the electrodes, grids are preferably the electrode surfaces at a plurality of uniformly Touch points distributed over the entire surface of the electrodes, these grids preferably being electrically connected to the back plates of the electrode compartments.
Der Elektrolyt fließt kontinuierlich über die Oberfläche der porösen und permeablen Elektrode, die auf der Oberfläche der Zellentrennvorrichtung, d.h. der semi-permeablen Membrane eingebettet ist.The electrolyte flows continuously over the surface of the porous and permeable electrode resting on the surface the cell separator, i.e. the semi-permeable membrane is embedded.
Die Versorgung der Bereiche, in denen die Elektrodenreaktionen ablaufen, mit den mehrwertigen Metallionen ist wegen der Poro-The supply of the areas in which the electrode reactions expire, with the polyvalent metal ions is due to the porosity
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sität der extrem dünnen Schicht aus dem besonderen Material, aus dem die Elektrode besteht, einfach und die Elektrodenreaktion läuft im wesentlichen an der Grenzfläche zwischen diesen Teilchen und dem Ionenaustauschharz, aus dem die Membrane besteht und auf welcher diese eingebettet sind, ab. Aus diesem Grunde kann ein Spannungsabfall im Elektrolyt praktisch ausgeschlossen werden.sity of the extremely thin layer of the particular material from which the electrode is made, and the electrode reaction takes place essentially at the interface between these particles and the ion exchange resin that makes up the membrane and on which it is embedded. the end For this reason, a voltage drop in the electrolyte can practically be ruled out.
Vorzugsweise bestehen die Kathode und die Anode in gleicher Weise aus einer dünnen Schicht eines elektrisch leitenden, pul verförmigen Materials.* das an den sich gegenüberliegenden Seiten der Ionenaustauschharzmembrane gebunden ist, obgleich auch nur eine der beiden Elektroden auf diese Weise konstruiert sein muß, während die andere entsprechende Elektrode eine herkömmliche, löchrige, selbsttragendeThe cathode and the anode preferably consist in the same way of a thin layer of an electrically conductive, powdery material. * that of the opposite Sides of the ion exchange resin membrane is bonded, although only one of the two electrodes is constructed in this way must be, while the other corresponding electrode is a conventional, holey, self-supporting Metall- oder Graphitelektrode sein kann, die gegen die andere Seite der Membrane gepreßt wird, oder in einem Abstand zu derselben angeordnet ist.Can be metal or graphite electrode, which is pressed against the other side of the membrane, or is arranged at a distance from the same.
Der erfindungsgemäße Redox-Akkumulator besteht aus einem Gehäuse mit mindestens einer Zelle, die ein Kathodenabteil und ein Anodenabteil enthält, die durch eine Ionenaustauschmembrane getrennt sind, porösen, permeablen Schichten aus einem elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Material, die auf den beiden Seiten der Membrane aufgebracht sind und die Anoden- und Kathodenoberfläche darstellen, Vorrichtungen zur gleichmäßigen Verteilung eines Gleichstromes auf der Anoden- und Kathodenoberfläche, Vorrichtungen für die Zirkulation von Anolytlösungen durch das Anodenabteil und Vorrichtungen für die Zirkulation von Katholytlösungen durch das Kathodenabteil, wobei der Anolyt und der Katholyt Metallionen in verschiedenen Oxidations zuständen enthalten.The redox accumulator according to the invention consists of a housing with at least one cell that has a cathode compartment and an anode compartment, separated by an ion exchange membrane, contains porous, permeable layers of an electrically conductive, corrosion-resistant material on the two Sides of the membrane are applied and represent the anode and cathode surface, devices for uniform Distribution of a direct current on the anode and cathode surface, devices for the circulation of anolyte solutions through the anode compartment and devices for the circulation of catholyte solutions through the cathode compartment, the Anolyte and the catholyte metal ions in different oxidation states included.
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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
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Akkumulators sind eine Reihe von Elementarzellen in Serie angeordnet und durch bipolare Trenneinsätze voneinander getrennt, die aus einer elektrisch leitenden Wandung bestehen,'die auf beden Seiten mit Vorsprüngen versehen ist, die über eine Reihe von Punkten mit der Anode und der Kathode in Berührung stehen, wobei die Anode an der Membranoberfläche der einen Elementarzelle angebracht ist, während die Kathode an der Membranoberfläche der benachbarten Zelle angebracht ist. Accumulators are a number of unit cells arranged in series and separated from each other by bipolar separating inserts, which consist of an electrically conductive wall, 'which on beden Sides are provided with protrusions which are in contact with the anode and the cathode through a series of points, wherein the anode is on the membrane surface of the one unit cell while the cathode is attached to the membrane surface of the adjacent cell.
Die Anolyt- und die Katholytlösung können in zwei sich entsprechenden Behältern aufbewahrt und mit zwei Umwälzpumpen durch das Anoden- und Kathodenabtei1 zirkuliert werden. Die Elektrolytlösungen werden dabei über die Oberflächen der porösen, permeablen und an der Oberfläche der Membran angebrachten Elektroden fließen, so daß die elektrodischen Oxidations- und Reduktionsreaktionen im wesentlichen an der Grenzfläche der Elektrodenteilchen und der Ionenaüstauschmembrane stattfinden. Auf diesem Wege wird der Ohm'sche Spannungsabfall sowohl in der Anolyt- als auch in der Katholytlösung praktisch verhindert. Darüber hinaus unterstützt die hohe spezifische Oberfläch der Elektroden, die durch die dünnen Schichten des pulverförmiger, an der Membran gebundenen Materials gebildet werden, im Hinblick auf die scheinbare Oberfläche in effektiver Weise die Verringerung der Polarisation und erlaubt die Verwendung hoher Stromdichten.The anolyte and catholyte solutions can be in two corresponding Containers stored and are circulated with two circulation pumps through the anode and cathode compartment. the Electrolyte solutions are applied over the surfaces of the porous, permeable and on the surface of the membrane Electrodes flow so that the electrodic oxidation and reduction reactions essentially take place at the interface of the Electrode particles and the ion exchange membrane take place. In this way, the ohmic voltage drop is practically prevented both in the anolyte and in the catholyte solution. In addition, the high specific surface supports the electrodes, which are formed by the thin layers of powdery material bound to the membrane, in terms of apparent surface area, effectively reducing polarization and allowing use high current densities.
Während die neuen Merkmale, die für die Erfindung von besonderer Bedeutung sind, in den Ansprüchen beschrieben werden, wird die Erfindung sowohl ihrem Wesen als auch ihrer praktischen Durchführung nach im nachfolgenden detailliert beschrieben, wobei das Verständnis durch -Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erleichtert wird.While the new features that made the invention of particular Meaning are described in the claims, the invention will be both in essence and practical Implementation as described in detail below, the understanding is facilitated by reference to the attached figures.
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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
Die bevorzugten Redox-Paare, die in einer erfindungsgemäßen Speicherbatterie verwendet werden können, sind Chrom-Chrom, Titan-Eisen, Vanadin-Vanadin und Vanadin-Eisen.The preferred redox couples in a Storage batteries that can be used are chrome-chrome, titanium-iron, vanadium-vanadium and vanadium-iron.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer vollständigen Anordnung eines erfindungsgemäßen Redox-Akkumulators.FIG. 1 shows a schematic representation of a complete arrangement of a redox accumulator according to the invention.
Figur 2 zeigt einen vergrößerten teilweisen Längsschnitt einer Elementarzelle des Akkumulators von Figur 1 zur Erläuterung der ablaufenden Reaktionen.FIG. 2 shows an enlarged partial longitudinal section of a unit cell of the accumulator from FIG. 1 to explain the reactions taking place.
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators undEmbodiment of an accumulator according to the invention and
Figur 3b zeigt einen Lännsschnitt des zusammengefügten Akkumulators von Figur 3a.FIG. 3b shows a longitudinal section of the assembled accumulator from FIG. 3a.
Das vollständige System eines Redox-Akkumulators besteht, unter Bezugnahme auf Figur 1, aus mindestens einer Elementarzelle 10, die eine Ionenaustauschmembrane 11 enthält, auf deren Oberfläche die aus elektrisch-leitenden, chemisch korrosionsbeständigen, pulverförmigen Materialien bestehenden Elektroden angebracht sind. Beispiele von geeigneten Materialien sind Metalle der Platingruppe, ihre Legierungen oder intermetallischenVerbindungen, ihre leitfähigen Oxide, Platinmohr, Palladiummohr ,Oxide von Zinn, Blei, Antimon , Wismut, Kobalt und Mangan, leitfähige Oxide wie beispielsweise Oxide vom Spinell-Typ, Perowskite und Delafossite, Graphit und Acetylenruß.With reference to FIG. 1, the complete system of a redox accumulator consists of at least one unit cell 10 which contains an ion exchange membrane 11 on its Surface the electrodes made of electrically conductive, chemically corrosion-resistant, powdery materials are appropriate. Examples of suitable materials are metals of the platinum group, their alloys or intermetallic compounds, their conductive oxides, platinum black, Palladium black, oxides of tin, lead, antimony, bismuth, cobalt and Manganese, conductive oxides such as spinel-type oxides, perovskites and delafossite, graphite and acetylene black.
Die Anode 12 ist an die eine Membranoberfläche gebunden, während die Kathode 13 an die gegenüberliegende1 Membranoberfläche gebunden ist. Die metallischen gitterförmigen Strom-The anode 12 is bound to the membrane surface, while the cathode 13 is bonded to the opposite 1 membrane surface. The metallic lattice-shaped electricity
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abnehmer 14 und 15 sind elektrisch mit den Wandungen 16 und 17,, die als negative bzw. positive Endplatten wirken, verbunden i und die Stromabnehmer werden gegen die Elektroden gepreßt. Die j beiden Zellenwcinde 16 und 17 sind durch eine Isolierungsdichtung 18 elektrisch voneinander isoliert. Bei Inbetriebnahme des Systems wird die in dem Behälter 19 enthaltene Anolyt lösung kontinuierlich durch die Umwälzpumpe 110 durch das Anode ι abteil gepumpt, während die in dem Behälter 111 enthaltene Katholytlösung durch die Umwälzpumpe 112 kontinuierlich durch das Kathodenabteil zirkuliert, wird.Pickups 14 and 15 are electrically connected to walls 16 and 17, which act as negative and positive end plates, respectively and the current collectors are pressed against the electrodes. The two cell coils 16 and 17 are electrically isolated from one another by an insulating seal 18. When commissioning of the system, the anolyte solution contained in the container 19 is continuously passed through the circulation pump 110 through the anode compartment pumped, while the catholyte solution contained in the container 111 through the circulation pump 112 continuously the cathode compartment is circulated.
Die Zellenelektroden sind chemisch inert, sie wirken als Elektronenakzeptoren und -donoren und bauen dabei ein Potential auf, das abhängig ist von der Konzentration der Ionen in den Lösungen, mit denen sie in Kontakt stehen. Beispielsweise wird ein zuvor geladener Chrom-Akkumulator dadurch entladen, daß man die im Behälter 111 enthaltene Katholytlösung mit dem sechswertigen Chrom in das Kathodenabteil zirkulieren läßt und die in Behälter 19 enthaltene Anolytlösung mit dem zweiwertigen Chrom in das Anodenabteil zirkulieren läßt. An der Kathode erfolgt eine Reduktion des sechswertigen Chroms zum dreiwertigen Chrom, wobei SO,— Ionen freigesetzt werden und durch die anionische Membrane wandern und zur Anode gelangen, wo das zweiwertige Chrom zum dreiwertigen Chrom oxidiert wird. Daher werden sich die Konzentrationen der Anolyt- und Katholytlösungen letztlich ausgleichen und das Zellenpotential fällt auf den Wert Null ab.The cell electrodes are chemically inert, they act as electron acceptors and donors and thereby build a potential that depends on the concentration of the ions in the solutions with which they are in contact. For example is a previously charged chromium accumulator discharged by the fact that the catholyte solution contained in the container 111 with the hexavalent chromium circulates in the cathode compartment and the anolyte solution contained in container 19 with the divalent Circulating chromium in the anode compartment. The hexavalent chromium is reduced to trivalent chromium at the cathode Chromium, whereby SO, - ions are released and migrate through the anionic membrane and reach the anode, where the bivalent chromium is oxidized to trivalent chromium. Therefore the concentrations of the anolyte and catholyte solutions will be different ultimately balance and the cell potential drops to zero.
Zur Ladung des Akkumulators werden die Anode und die Kathode mit dem negativen bzw. positiven Pol einer elektrischen Gleichstromquelle verbunden und die Reaktionen" laufen in umgekehrter Richtung ab, wobei im Verhältnis zum dreiwertigenChrom in der Katholytlösung eine hohe Konzentration an sechswertigem Chrom wieder erreicht wird und umgekehrt in Bezug auf dasTo charge the accumulator, the anode and the cathode are connected to the negative or positive pole of an electrical direct current source connected and the reactions "proceed in the opposite direction, with in relation to the trivalent chromium in the catholyte solution has a high concentration of hexavalent Chromium is achieved again and vice versa in terms of that
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dreiwertige Chrom in der Anolytiösung eine hohe Konzentration an zweiwertigem Chrom erhalten wird.trivalent chromium has a high concentration in the anolyte solution is obtained on divalent chromium.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines Längsschnittes der Akkumulator-Elementarzelle, bestehend aus einer Ionenaustauschharzmembrane 21, an welche die Anode 22 und die Kathode 23 gebunden sind. Die beiden metallischen, netzförmigen j Stromabnehmer berühren die Elektroden an einer Vielzahl von I gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Elektroden ver- j teilten Stellen. Diese Figur dient insbesondere dem Verständnis der Erfindung und der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Akkumulators. Es ist eine auf der Basis von Chromverbindungen arbeitende Speicherung dargestellt, wobei die angegebenen Reaktionen die Entladung des Akkumulators beschreiben. Die Membran 21 ist vom anionischen Typus und sie ist gegenüber Schwefelsäurelösungen beständig und besteht vorzugsweise aus fluoriertem Harz, das quaternäre Ammoniumgruppen enthält.Figure 2 is a schematic representation of a longitudinal section the accumulator unit cell, consisting of an ion exchange resin membrane 21 to which the anode 22 and the cathode 23 are bonded. The two metallic, reticulated j Current collectors touch the electrodes at a large number of I evenly over the entire surface of the electrodes ver j shared posts. This figure is used in particular to understand the invention and the operation of the invention Accumulator. A storage system based on chromium compounds is shown, with the specified reactions describe the discharge of the accumulator. The membrane 21 is of the anionic type and it is opposed to sulfuric acid solutions resistant and is preferably made of fluorinated resin containing quaternary ammonium groups.
Die Elektroden 22 und 23 bestehen vorzugsweise aus einer pulverförmigen Mischung von Graphit und Platinmohr, die an die Membranoberfläche gebunden ist, und bilden eine poröse Schicht, die zur Membrane hin gut durchlässig ist. Die Stromabnehmer 24 und 25 sind Netze, vorzugsweise aus einem Ventilmetall (valve metal), wie z.B. Niob, Tantal, Titan, Zirkon und Hafniun wobei diese bei einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform galvani sch mit Platin oder einer Platin-Iridium-Legierung überzogen sind. Die Stromabnehmer 24 und 25 werden gegen die Elektroden 22 und 23 gepreßt und sind mit den elektrischen Ansc sei der Batterie verbunden.The electrodes 22 and 23 are preferably made of a powdery mixture of graphite and platinum black, which is an the membrane surface is bound, and form a porous layer, which is well permeable to the membrane. The current collectors 24 and 25 are nets, preferably made of a valve metal (valve metal), such as niobium, tantalum, titanium, zirconium and hafnium, these being galvanically coated with platinum or a platinum-iridium alloy in a particularly preferred embodiment are. The current collectors 24 and 25 are pressed against the electrodes 22 and 23 and are connected to the electrical connections be connected to the battery.
Die sechswertiges Chrom enthaltende Katholytlösung wird so in das Kathodenabteil zirkuliert, das die Lösung an der porösen Kathodenoberfläche entlang fließt, wobei der Stromabnehmer 25 so weitmaschig ist, daß der Fluß der Lösung entlang der Kathodenoberfläche 23 nicht behindert wird. Dies be-The catholyte solution containing hexavalent chromium becomes so circulates into the cathode compartment, the solution flows along the porous cathode surface, the current collector 25 is so wide that the flow of the solution along the cathode surface 23 is not hindered. This is
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günstigt einen guten Massentransport von der Elektrodenoberfläche weg und zu ihr hin und verhindert gleichzeitig eine Verarmung an reagierenden ionischen Species an der Elektrode. Die zweiwertiges Chrom enthaltende Anolytlösung wird auf gleiche Weise in das Anodenabteil zirkuliert und mit der porösen Anodenoberfläche 22 in Berührung gebracht. Dadurch bilden die beiden Elektroden ihre jeweiligen Potentiale aus, die abhängig sind von dem Verhältnis der Konzentration an sechswertigen und zweiwertigen Chromionen in den entsprechenden Lösungen.favors a good mass transport away from the electrode surface and towards it and at the same time prevents a Depletion of reactive ionic species on the electrode. The divalent chromium containing anolyte solution is on is circulated into the anode compartment in the same manner and brought into contact with the porous anode surface 22. Form thereby the two electrodes from their respective potentials, which are dependent on the ratio of the concentration of hexavalent and divalent chromium ions in the corresponding solutions.
Während der Entladung des Akkumulators fließt ein elektrischer Strom durch die elektrischen Anschlüsse, die mit den Zellenklemmen verbunden sind, wobei die folgenden Reaktionen ablaufen:While the battery is discharging, an electrical current flows through the electrical connections that connect to the cell terminals connected, with the following reactions occurring:
an der Kathode (postiver Pol):at the cathode (positive pole):
Cr2O7 2^ + 14H® + 6e®—) 2 Cr3® + 7H2OCr 2 O 7 2 ^ + 14H® + 6e®-) 2 Cr 3 ® + 7H 2 O
[ Ionentransport durch die Membrane (von der Kathodenseite zur Anoden sei te):[Ion transport through the membrane (from the cathode side to the Anodes page):
12 SO4 20-—>
12 SO4 20
an der Anode (negativer Pol):12 SO 4 20 -> 12 SO 4 20
at the anode (negative pole):
6 Cr'
Gesamtreaktion:6 Cr '
Overall reaction:
H2Cr2O7 + 6CrSO4 + 6H2SO4 ■ ^ 4Cr2(SO4J3 + 7HH 2 Cr 2 O 7 + 6CrSO 4 + 6H 2 SO 4 ■ ^ 4Cr 2 (SO 4 J 3 + 7H
Umgekehrt laufen bei der Ladung des Akkumulators die folgen den Reaktionen ab:The opposite happens when the battery is charged, as follows the reactions:
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an der Kathode: 6Cr+++ + 6e~ > 6Cr++ at the cathode: 6Cr +++ + 6e ~> 6Cr ++
Ionentransport durch die Membrane (von der Anodenseite zur Kathodensei te):Ion transport through the membrane (from the anode side to the cathode side):
12 SO ""12 SO ""
an der Anode: 2Cr+++ + 7 H2O > Cr2°7~~ + 14 H+ + 6e at the anode: 2Cr +++ + 7 H 2 O> Cr 2 ° 7 ~~ + 14 H + + 6e
Gesamtreaktion:Overall reaction:
7 H2O + 4Cr2(S04)3 —^--> 6CrSO4 + H2Cr2O7 + 6H2SO4 7 H 2 O + 4Cr 2 (S0 4 ) 3 - ^ -> 6CrSO 4 + H 2 Cr 2 O 7 + 6H 2 SO 4
Die anodischen und kathodischen Reaktionen laufen praktisch an den Grenzflächen zwischen den Teilchen, die die Elektroden bilden, und der Ionenaustauschharzmembrane ab, d.h. die katalytischen Bereiche in den Elektroden stehen in direktem Kontakt mit den ionenaustauschenden Resten der Harzmembrane. Damit wird eine lonenleitung in der Lösung praktisch ausgeschlossen und die Ionenleitung erfolgt lediglich durch die Stärke der Membrane hindurch, wodurch der Ohm'sche Spannungsabfall in der Zelle erheblich vermindert wird. Gleichzeitig erleichtert die Porosität und die Dünnschicht!gkeit der Elektroden die Erneuerung des Elektrolyts an der gesamten Elektrodenoberfläche, wodurch Polarisationseffekte vermieden werden, während die Vielzahl der elektrischen Berührungspunkte mit den Stromabnehmern einen geringen Ohm'schen Spannungsabfall in den elektrisch leitenden Bereichen der Zelle hervorrufen, d.h. in den porösen teilchenförmigen Elektroden, die an die Membrane gebunden sind.The anodic and cathodic reactions take place practically at the interfaces between the particles that make up the electrodes and the ion exchange resin membrane, i.e. the catalytic areas in the electrodes are in direct contact with the ion-exchanging residues of the resin membrane. Ion conduction in the solution is practically excluded and the ionic conduction occurs only through the thickness of the membrane, which causes the ohmic voltage drop in the cell is significantly reduced. At the same time, the porosity and the thin layer properties of the electrodes facilitate the renewal of the Electrolyte on the entire electrode surface, thereby avoiding polarization effects, while the multitude the electrical contact points with the pantographs have a low ohmic voltage drop in the electrically conductive ones Areas of the cell, i.e. in the porous particulate electrodes attached to the membrane.
Die Figuren 3a und 3b dienen der Erläuterung einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Akkumulators. Figur 3bFIGS. 3a and 3b serve to explain a practical embodiment of the accumulator according to the invention. Figure 3b
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zeigt einen Längsschnitt des in Figur 3a dargestellten Akkumulators, wobei in beiden Figuren gleiche Teile des Akkumulators J mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. ίshows a longitudinal section of the accumulator shown in FIG. 3a, with identical parts of the accumulator J in both figures are provided with the same reference numbers. ί
Der Akkumulator besteht aus einer Anodenendplatte 31, einer Kathodenendplatte 32, einem bipolaren Trenneinsatz 33 und zwei Membranen 34a und 34b, auf deren Oberflächen die Elektroden gebunden sind. Der Akkumulator besteht somit aus zwei in Serie angeordneten ElementarzelTen und es ist offensichtlich, daß eine praktisch unbegrenzte Anzahl von ähnlich angeordneten Elementarzellen zwischen die beiden Endplatten eingefügt werden können, indem man eine entsprechende Anzahl von bipolaren Trenneinsätzen und Membranen, die die Elektroden tragen, zwischen die Platten einfügt. Vorzugsweise bestehen die Anodenendplatte 31 und die KathodenendpTatte 32 aus dem gleichen Material wie der bipolare Trenneinsatz 33. Die Anodenendplatte 31 weist auf ihrer inneren Oberfläche einen in der Mitte befindlichen geriffelten Bereich auf, dessen Kanäle ausbildende Riffelungen 35 hydraulisch mit dem AnolyteinTaß 36 und dem Anolytauslaß 37 verbunden sind.The accumulator consists of an anode end plate 31, one Cathode end plate 32, a bipolar separator insert 33 and two membranes 34a and 34b, on the surfaces of which the electrodes are bonded. The accumulator thus consists of two in Series arranged unit cells and it is obvious that a practically unlimited number of similarly arranged Unit cells can be inserted between the two end plates by making an appropriate number of bipolar Separator inserts and membranes that carry the electrodes are inserted between the plates. The anode end plates are preferably made 31 and the cathode end plate 32 made of the same material as the bipolar separator insert 33. The anode end plate 31 has one in the center on its inner surface corrugated area, the channels forming corrugations 35 hydraulically with the anolyte in cup 36 and the Anolyte outlet 37 are connected.
Die KathodenendpTatte 32 hat auf gleiche Weise auf ihrer inneren Oberfläche in der Mitte einen geriffelten Bereich 38, dessen Riffelungen 39 hydraulisch über die Zu- und Abflüßkanäle 310 mit dem Katholyteinlaß 311 und dem Katnolytauslaß 312 verbunden sind. Beide Endplatten sind mit Vorrichtungen 313 für den elektrischen Anschluß der Batterie versehen. Der bipolare Trenneinsatz 33 weist auf beiden Seiten einen in der Mitte befindlichen geriffelten Bereich auf, dessen Kanäle ausbildende Riffelungen 314 auf der Kathodenseite mit zwei Bohrungen 315 und 316, die koaxial zu dem Einlaß 311 und dem Auslaß 312 der Kathodenendplatte angeordnet sind, verbunden sind, während die Riffelungen 317 auf der Anodenseite des bipolaren Trenneinsatzes mit den beiden Bohrungen 318 (nichtThe cathode end plate 32 similarly has on its inner surface in the center a corrugated area 38, the Corrugations 39 hydraulically via the inflow and outflow channels 310 with the catholyte inlet 311 and the catholyte outlet 312 are connected. Both end plates are provided with devices 313 for the electrical connection of the battery. The bipolar Separation insert 33 has on both sides a corrugated area in the middle, the channels of which forming corrugations 314 on the cathode side with two bores 315 and 316, which are coaxial with the inlet 311 and the Outlet 312 of the cathode end plate are arranged, while the corrugations 317 on the anode side of the bipolar separating insert with the two bores 318 (not
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dargestellt) und 319, die koaxial zu dem Anolyteinlaß 36 und Anolytauslaß 37 der Anodenendplatte angeordnet sind, verbunden sind.shown) and 319 coaxial with the anolyte inlet 36 and Anolyte outlet 37 of the anode end plate are arranged, connected are.
Der bipolare Trenneinsatz und die beiden Endplatten bestehen vorzugsweise aus einer leitenden Masse aus pulverförmigem Graphit und einem chemisch inerten Harz. Die Membrane 34a der ersten Elementarzelle besteht aus einer Ionenaustauschharzplatte, auf deren mittleren Bereich, entsprechend den geriffelten Bereichen auf der Anodenendplatte und der Kathodenseite des bipolaren Trenneinsatzes 33, die Elektroden angebracht sind, d.h. die Anode 320aauf der Seite, die der Anodenendplatte gegenüberliegt und die Kathode 321a auf der Seite, die der Kathodenseite des bipolaren Trenneinsatzes 33 gegenüberliegt, wobei beide Elektroden aus einem elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen, pulverförmigen Material hergestellt worden sind. Die Membrane 34b der zweiten Elementarzelle besteht gleichfalls aus einerlonenaustauschharzplatte, auf deren mittleren Bereich, entsprechend den geriffelten Bereichen auf der Anodenseite des bipolaren Trenneinsatzes 33 und der Kathodenendplatte 32, die Anode 320b bzw. die Kathode 321b angebracht sind.The bipolar separating insert and the two end plates are preferably composed of a conductive mass of powdery Graphite and a chemically inert resin. The membrane 34a of the first unit cell consists of an ion exchange resin plate, on the middle area of which, corresponding to the corrugated areas on the anode end plate and the cathode side of the bipolar separator insert 33, the electrodes are attached, ie the anode 320a on the side opposite the anode end plate and the cathode 321a on the side, which is opposite the cathode side of the bipolar separator insert 33, with both electrodes made of an electrically conductive, corrosion-resistant, powdery material have been produced. The membrane 34b of the second unit cell also exists from a ion exchange resin plate, on the middle area, corresponding to the corrugated areas on the anode side of the bipolar separator insert 33 and the cathode end plate 32, the anode 320b and the cathode 321b are attached.
Geeignete Materialien für die Anoden 320a und 320b und die Kathoden 321a und 321b sind Pulver von Graphit, Edelmetallen, wie Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium, Osmium, ihren Legierungen und intermetallischen Verbindungen, Oxiden dieser Metalle und Oxide von Zinn, Blei, Antimon, Wismut, Kobalt und Mangan, leitfähige Oxide, wie z.B. Oxide vom Spinell-Typus, Perowskite, Delafossite, Palladiummohr, Platinmohr und Acetylenruß. Beide Membranen 34a und 34b haben je vier Bohrungen (6a) 37a, 311a, 312a und (6b) 37b, 311b, 312b, die koaxial zu den Bohrungen 36, 37, 311 und 312 der Anodenendplatte 31 bzw. Kathodenendplatte 32 angeordnet sind. Die Bohrungen (6a) und (6b), die in den Figuren nicht dargestellt sind, sind koaxial zu den Bohrungen 36 der Anodenendplatte 31 und denSuitable materials for the anodes 320a and 320b and the cathodes 321a and 321b are powders of graphite, precious metals, such as platinum, ruthenium, rhodium, palladium, iridium, osmium, their alloys and intermetallic compounds, oxides these metals and oxides of tin, lead, antimony, bismuth, cobalt and manganese, conductive oxides such as oxides of the spinel type, Perovskites, delafossite, palladium black, platinum black and acetylene black. Both membranes 34a and 34b each have four bores (6a) 37a, 311a, 312a and (6b) 37b, 311b, 312b, which are coaxial with the bores 36, 37, 311 and 312 of the anode end plate 31 or cathode end plate 32 are arranged. The bores (6a) and (6b), which are not shown in the figures, are coaxial to the bores 36 of the anode end plate 31 and the
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Bohrungen 3ί8 des bipolaren Trenneinsatzes angeordnet.Bores 3ί8 of the bipolar separation insert arranged.
Die Änodenendplatte 31, die KathodenendpTatte 32, die Membranen 34a und 34b sowie der bipolare Trenneinsatz 33 weisen eine ganze Reihe von Bohrungen 322 für die Verbindungsstäbe 323 auf. Die genannten Verbindungsstäbe 323 können aus einem Isolationsmaterial, wie z.B. Teflon, Nylon etc. oder einem Metall bestehen» wobei im letzteren Fall ein isolierender Plastiküberzug und-Unterlagscheiben vorgesehen sein müssen, um die Verbindungsstäbe, die Endplatten und den bipolaren Trenneinsatz elektrisch voneinander zu isolieren und um so Kurzschlösse innerhalb der Zelle zu verhindern» Die Verbind-ungs stäbe werden mit Muttern 324 und Unterlagsscheiben 325 befestigt und wenn die Zelle zusammengefügt ist, dargestellt in Figur 3b, sind die peripheren Bereiche der Endplatten 31 und 32 und des bipolaren Trenneinsatzes 33 gegenüber den peripheren Bereichen der Membranen 34a und 34b hydraulisch abgedichtet.The anode end plate 31, the cathode end plate 32, the membranes 34a and 34b as well as the bipolar separating insert 33 have a number of bores 322 for the connecting rods 323 on. Said connecting rods 323 can be made of an insulating material such as Teflon, nylon etc. or a Made of metal »whereby in the latter case an insulating plastic cover and washers must be provided, around the connecting rods, the endplates and the bipolar Isolate separating insert electrically from each other and so on To prevent short circuits within the cell »The connection Bars are secured with nuts 324 and washers 325 and when the cell is assembled, shown in Figure 3b, the peripheral portions of the end plates are 31 and 32 and the bipolar separator 33 opposite the peripheral areas of the membranes 34a and 34b hydraulically sealed.
Sämtliche Oberflächen des bipolaren Trenneinsatzes und der beiden Endplatten, mit Ausnahme der Oberflächen, die mit den Elektroden in Kontakt stehen, sind vorzugsweise mit einer dicken Harzschicht, die kein elektrisch leitendes gepulvertes Material aufweist, isoliert. Dies verhindert Elektrodenreaktionen an den Oberflächen- die mit der Elektrolytlösung oder dem Ionenaustauschharz Jn Kontakt stehen, hervorgerufen durch die Ionenwanderung durch, das Membranharz beispielsweise"-. an der Dichtungsoberfläche.All surfaces of the bipolar separator and the two end plates, with the exception of the surfaces that correspond to the Electrodes in contact are preferably powdered with a thick resin layer that is not electrically conductive Has material, isolated. This prevents electrode reactions on the surface - those with the electrolyte solution or are in contact with the ion exchange resin caused by ion migration through the membrane resin, for example "-. on the sealing surface.
Die-Vorspringe des."zentralen geriffelten Bereiches, ier Änodenendpiatte .31 -stehen "-in elektrischem Kontakt mit der Anode. 32Qa, die mn der.Membrane 34a angebracht ist» während die Vorspringe des zentralen geriffelten Bereiches des bipolaren TirenneiEtsatzes 33.auf der Katfeode-nseits in elektrischem Kontakt. RiIt-der Kathode 32,Ia3,-die Sii tier ifesfttorane 34a angsThe projections of the "central corrugated area" of the anode endplate .31 are in electrical contact with the anode. 32Qa is mounted the mn der.Membrane 34a "while the Vorspringe of the central corrugated portion of the bipolar TirenneiEtsatzes 33.auf the Katfeode-nseits in electrical contact. RiIt-the cathode 32, Ia 3 , -die Sii tier ifesfttorane 34a angs
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Kontakt stehen und die auf der Anodenseite befindlichen Vorsprünge des Trenneinsatzes 33 mit der Anode 320b und die Vorsprünge der Kathodenendplatte 32 mit der Kathode 321b in Kontakt stehen. Auf diese Weise wird eine Serie von bipolaren Elementarzellen gebildet und ihre Zahl kann durch Einfügung mehrerer bipolarer Elemente in diese Serienanordnung erhöht werden.Make contact and the projections located on the anode side of the separating insert 33 with the anode 320b and the projections of the cathode end plate 32 with the cathode 321b in Be in contact. In this way a series of bipolar unit cells is formed and their number can be determined by insertion several bipolar elements can be increased in this series arrangement.
Wenn der Akkumulator in Betrieb ist, wird die Anolytlösung durch den Einlass 36 der Anodenendplatte in die Zelle gepumpt und der Elektrolyt verteilt sich in dem ersten Anodenabteil, das durch die Riffelungen des zentralen Bereichs der Anodenendplatte 31 gebildet wird und der Elektrolyt fließt dann durch· die Durchführung, die durch die Bohrung 36a in der Membrane 34a und durch die Bohrung 318 in dem bipolaren Trenneinsatz 33 gebildet wird, wobei beide Bohrungen koaxial zu dem Einlaß 36 angeordnet sind, in das zweite Anodenabteil, das durch die Riffelung des zentralen Bereichs der Anodenseite des bipolaren Trenneinsatzes 33 gebildet wird. Der Elektrolyt verläßt dann die Zelle durch den Auslaß 37, der über die Bohrung 37a in der Membrane 34a und die Bohrung 319 in dem bipolaren Trenneinsatz mit dem zweiten Anodenabteil verbunden ist. Die Katholytlösung wird auf gleiche Weise durch die Kathodenabteile durch den Einlaß 311 und den Auslaß 312 der Kathodenendplatte 32 zirkuliert.When the accumulator is in operation, the anolyte solution pumped into the cell through inlet 36 of the anode end plate and the electrolyte is distributed in the first anode compartment, which is formed by the corrugations of the central area of the anode end plate 31 and the electrolyte then flows through the passage through the bore 36a in the membrane 34a and through the bore 318 in the bipolar separation insert 33 is formed, with both bores arranged coaxially with the inlet 36, in the second anode compartment, which is through the Corrugation of the central area of the anode side of the bipolar separator 33 is formed. The electrolyte then leaves the cell through the outlet 37 which passes through the bore 37a in the membrane 34a and the bore 319 in the bipolar separator insert is connected to the second anode compartment. The catholyte solution is in the same way through the cathode compartments circulated through inlet 311 and outlet 312 of cathode end plate 32.
Zur Anbringung der Elektrode an der Membranoberfläche können verschiedene Verfahren verwendet werden. Nach einem bekannten Verfahren wird das Pulver des elektrisch leitenden Materials mit pulverförmigem Polytetrafluorethylen gemischt» dessen Anteil in der Mischung etwa 15 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise etwa 15 bis 20 Gew.-% betragen kann. Ein Pulver, das sich in zufriedenstellender Weise verwenden läßt, wird von der Firma DuPont unter der Bezeichnung Teflon-T-30 in den Handel gebracht! Anstelle das Polytetrafluoräthylens (PTFE) können jedoch auch jTo attach the electrode to the membrane surface you can different procedures can be used. According to a known method, the powder of the electrically conductive material mixed with powdered polytetrafluoroethylene »its proportion in the mixture can be about 15 to 60% by weight, preferably about 15 to 20% by weight. A powder that turns out to be more satisfactory Way, is marketed by DuPont under the name Teflon-T-30! Instead of polytetrafluoroethylene (PTFE), however, j
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andere Harze in der Batterie verwendet werden, sofern sie
gegenüber den Elektrolyten beständig sind. Die Mischung der Pulver wird in eine Form gegeben und zu einem gesinterten
Film erhitzt, welcher dann auf die Membranoberfläche aufgebracht und auf diese heiß aufgepreßt wird.other resins can be used in the battery, provided they are
are resistant to the electrolytes. The mixture of powders is placed in a mold and made into a sintered one
Film heated, which is then applied to the membrane surface and pressed hot on this.
Ein anderes Verfahren wird in der US-Anmeldung Nr. 878 906, eingereicht am 17. Februar 1978, beschrieben, wobei die Elektrö
den durch Aufbringung einer flüssigen Suspension des elektrisch leitenden Pulvers in einer Ionenaustauschharzlösung auf die
Membranoberfläche gebildet werden, wobei das Harz mit dem
die Membrane bildenden Harz verträglich ist. Die Suspension wird dann getrocknet Und erhitzt, wodurch das Pulver enthaltend
Harz auf der Membranoberfläche abgeschieden und an diese gebunden
wird. Vorzugsweise ist das Bindemittel ein Ionenaustausch
harz, das demjenigen, aus dem die Membrane hergestellt ist, ähnlich ist.Another method is described in U.S. Application No. 878,906, filed February 17, 1978, wherein the electrodes are formed by applying a liquid suspension of the electrically conductive powder in an ion exchange resin solution to the membrane surface, the resin with the
the membrane-forming resin is compatible. The suspension is then dried and heated, whereby the powder containing resin is deposited on the membrane surface and bound to it. Preferably the binder is an ion exchange resin similar to that from which the membrane is made.
Die elektrisch leitenden Pulver haben einen Teilchendurchmesser
zwischen 0,5 und 30 pm, vorzugsweise zwischen 10 und 20 pm. Die Beschickung mit elektrisch leitendem Material beträgt
0,5 bis 10 mg/cm2, vorzugsweise 1 bis 5 mg/cm2 der Elektrodenoberfläche.
Die Stärke der an der Membranoberfläche gebundenen Elektroden ist kleiner als 0,1 mm und beträgt vorzugsweise
0,01 bis 0,06 mm.The electrically conductive powders have a particle diameter between 0.5 and 30 μm, preferably between 10 and 20 μm. The charge with electrically conductive material is
0.5 to 10 mg / cm 2 , preferably 1 to 5 mg / cm 2 of the electrode surface. The thickness of the electrodes bonded to the membrane surface is less than 0.1 mm and is preferably 0.01 to 0.06 mm.
Die geringe Stärke der Elektroden ist zusammen mit ihrer
Porosität von großer Bedeutung, da tatsächlich festgestellt
worden ist, daß Nebenreaktionen in effektiver Weise an den
Elektroden verhindert werden können, wenn die Stärke der Elektro den verringert wird. Dies wird durch die Überlegung verständlich,
daß der Transport der Ionen, die die Hauptelektrodenreaktion unterstützen, aus dem Elektrolyten zu den katalytischen
Stellen in den Kontaktbereichen zwischen den Elektroden-The poor strength of the electrodes is along with theirs
Porosity is of great concern as it has in fact been found that side reactions are effective in the
Electrodes can be prevented if the strength of the electrode is reduced. This can be understood by considering that the transport of the ions that support the main electrode reaction from the electrolyte to the catalytic sites in the contact areas between the electrode
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ORiGiNAL INSPECTED C0PY ORiGiNAL INSPECTED C0PY
teilchen und dem Ionenaustauschharz der Membrane umso einfacher ist, je dünner und je permeabler die Elektroden sind. Auf diese Weise wird die Diffusion der die Hauptelektrodenreaktion unterstützenden Ionen durch die sogenannte elektrische Doppelschicht unterstützt und dies führt in der Praxis zu einer geringeren Polarisation der Elektroden und damit zu einer besseren Stromspannungskurve während der Entladung des Akkumulators und somit letztlich zu einer höheren Energieausbeute. Die geringere elektrische Planleitfähigkeit der Elektroden, die aus den oben genannten Gründen extrem dünn sind, kann auf effektive Weise dadurch kompensiert werden, daß man die Dichte der Kontaktstellen mit den Stromabnehmern erhöht, was dadurch erreicht werden kann, daß man beispielsweise sehr feinmaschige Netze verwendet. Eine weitere Verringerung der Ohm'schen Spannungsverluste kann dadurch erreicht werden, daß man die Kontaktbereiche der Stromleiter mit Platin überzieht. particles and the ion exchange resin of the membrane, the easier the thinner and the more permeable the electrodes are. on this way, the diffusion of the ions supporting the main electrode reaction through the so-called electric double layer becomes supported and this leads in practice to a lower polarization of the electrodes and thus to a better current-voltage curve during the discharge of the accumulator and thus ultimately to a higher energy yield. The lower electrical planar conductivity of the electrodes, which are extremely thin for the reasons mentioned above, can effectively compensated for by increasing the density of the contact points with the current collectors, which can be achieved by using, for example, very fine-meshed nets. Another reduction in Ohmic voltage losses can be achieved by coating the contact areas of the current conductors with platinum.
Die Membrane kann entweder anionisch oder kationisch sein, in Abhängigkeit von der Natur des Redox-Paares in den Lösungen und damit in Abhängigkeit von der Art der Ionen, die durch die Membrane hindurchtreten. Tatsächlich ist die Ionenleitung durch die Membrane auf den Transport von Anionen, wie SO. oder Cl" oder Kationen, typischerweise H+, zurückzuführen.The membrane can be either anionic or cationic, depending on the nature of the redox couple in the solutions and thus depending on the type of ions which pass through the membrane. Indeed, the ionic conduction through the membrane is due to the transport of anions, such as SO. or Cl "or cations, typically H + .
Besonders gut geeignete kationische Membranen bestehen aus einem Fluorkohlenstoffpolymer, das in dünne Platten geformt worden ist und das Säurereste wie z.B. Sulfonsäure- oder Carbonsäurereste enthält. In den Membranen, die die Sulfon- oder Carbonsäurereste enthalten, werden die ionenaustauschenden Gruppen durch die hydratisieren Säurereste SOg-H ' Η«0 gebildet, die durch Sulfonierung in die polymere Struktur eingebaut worden sind. Die Ionenaustauschgruppen sind in der Membrane nicht beweglich, da sie chemisch an die polymereParticularly suitable cationic membranes consist of a fluorocarbon polymer which has been formed into thin sheets and which contains acid residues such as sulfonic acid or carboxylic acid residues. In the membranes containing the sulfonic or carboxylic acid residues, the ion-exchanging groups are formed by the hydrated acid residues SOg - H '«0, which have been incorporated into the polymeric structure by sulfonation. The ion exchange groups are immobile in the membrane because they are chemically attached to the polymer
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Kette gebunden sind, so daß ihre Konzentration konstant bleibt.Are chain linked so that their concentration is constant remain.
Eine spezifische Klasse solcher kationischen Membranen, die insbesondere gegenüber Säuren und oxidierenden Reagentien beständig sind, wird von der Firma DuPont unter der Bezeichnung Nafion in den Handel gebracht, wobei diese Membranen aus hydratisierten Copolymeren von Polytetrafluorethylen und sulfonierten Polyfluorvinyläthern, die Sulfonsäuregruppen enthalten, bestehen. Andere geeignete kationische Membranen können aus sulfonierten Styrol-Divinylbenzolcopolymeren, vorzugsweise auf einem inerten und porösen Trägermaterial, wie z.B. Asbestpapier oder aus sulfonierten Tetrafluoräthylen/Acry säurecopolymeren hergestellt werden.A specific class of such cationic membranes that are particularly resistant to acids and oxidizing reagents are stable, is marketed by DuPont under the name Nafion, these membranes of hydrated copolymers of polytetrafluoroethylene and sulfonated polyfluorovinyl ethers that contain sulfonic acid groups exist. Other suitable cationic membranes can be made from sulfonated styrene-divinylbenzene copolymers, preferably on an inert and porous carrier material such as asbestos paper or made of sulfonated tetrafluoroethylene / acrylic acid copolymers are produced.
Insbesonders geeignete anionische Membranen bestehen aus einem dünnen Film eines Fluorkohlenstoffpolymers oder eines Styrol-Divinyibenzolcopolymers, das basische Reste, wie beispielsweise quaternäre Ammoniumgruppen, Pyridin oder substituierte Pyridingruppen enthält. Derartige Membranen werden von Ionics hergestellt.Particularly suitable anionic membranes consist of one thin film of a fluorocarbon polymer or a styrene-divinyibenzene copolymer, the basic radicals, such as, for example, quaternary ammonium groups, pyridine or substituted Contains pyridine groups. Such membranes are made by Ionics manufactured.
Die Membrane muß einerseits von den speziellen Ionen (Cl" oder SO. "oder H+) durchwandert werden können, während sie anderer "seits-auf effektive Weise das Hindurchtreten und die Vermischung von anderen ionischen Spezien durch die Membrane hindurch verhindern bzw. auf ein Minimum beschränken muß Die Stärke der Membrane liegt im allgemeinen in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimetern. Im Falle von wärmegehärteten vernetzten Harzen, wie beispielsweise Styrol-Divinylbenzolcopolymere, die auf einem inerten Träger, wie Asbestpapier, copolymerisiert wurden; kann die Stärke der Membrane einen oder mehrere Millimeter betragen.The membrane must be able to be traversed on the one hand by the special ions (Cl "or SO." Or H + ), while on the other hand they effectively prevent the passage and mixing of other ionic species through the membrane or on a The thickness of the membrane is generally on the order of a few tenths of a millimeter In the case of thermoset crosslinked resins, such as styrene-divinylbenzene copolymers, which have been copolymerized on an inert support such as asbestos paper, the thickness of the membrane can be any or be several millimeters.
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Der Ladungs- bzw. Entladungsvorgang des Akkumulators, der mit einem externen elektrischen Stromkreis verbunden oder an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, erfolgt dadurch, daß man die Katholytlösung in das Kathodenabteil und die Anolytlösung in das Anodenabteil einführt und diese Lösungen durch die entsprechenden Behälter und Zellenabteile zirkulieren läßt. Die Fließgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 100 bis 5000cm3 pro Minute pro 1000 cm2 Elektrodenoberfläche bei 0,08 A/cm2 gemessen als der der Batterie durch den Stromkreis entnommene Strom.The charging or discharging process of the accumulator, which is connected to an external electrical circuit or connected to a direct current source, is carried out by introducing the catholyte solution into the cathode compartment and the anolyte solution into the anode compartment and circulating these solutions through the corresponding containers and cell compartments leaves. The flow rate is preferably 100 to 5000 cm 3 per minute per 1000 cm 2 of electrode surface at 0.08 A / cm 2 measured as the current drawn from the battery by the circuit.
In dem nachfolgenden Beispiel wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beschränkt.In the following example, the invention is described on the basis of a preferred embodiment. The invention is but not limited to these.
Es wurden Probeakkumulatoren, entsprechend den Figuren 3a und 3b hergestellt und wie in Figur 1 dargestellt angeordnet. Die Elektroden bestanden aus einer pulverförmigen Mischung von Graphit und Platinmohr in einem Gewichtsverhältnis von 9:1, und waren an die Oberfläche einer anionischen Membrane (IONAC 3475 M) gebunden. Die Elektroden hatten eine Stärke von etwa 0,05 mm, was einer Pulverbeschickung von 2 bis 3 mg/cm2 entspricht. Die Pulver hatten einen mittleren Teilchendurchmesser von 20 μ.Sample accumulators were produced according to FIGS. 3a and 3b and arranged as shown in FIG. The electrodes consisted of a powdery mixture of graphite and platinum black in a weight ratio of 9: 1, and were bound to the surface of an anionic membrane (IONAC 3475 M). The electrodes were about 0.05 mm thick, which corresponds to a powder load of 2 to 3 mg / cm 2 . The powders had an average particle diameter of 20 μ.
Die Akkumulatoren arbeiteten unter Verwendung eines Cr /Cr Redox-Paares. Die beiden Behälter waren mit einer 1 M Chromsulfatlösung /Cr2(SO4)^ in 10 %-iger Schwefelsäure beschickt. Die Akkumulatoren wurden geladen, indem man die Kathode und die Anode an dem positiven bzw. negativen Pol einer Gleichstromquelle anschloß und die beiden Lösungen in ihren entspre-The accumulators operated using a Cr / Cr redox couple. The two containers were charged with a 1 M chromium sulfate solution / Cr 2 (SO 4 ) ^ in 10% sulfuric acid. The accumulators were charged by connecting the cathode and the anode to the positive or negative pole of a direct current source and the two solutions in their corresponding
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chenden Zellenabteilen mit einer Fließgeschwindigkeit von 1000 cm3 pro Minute pro 1000 cm2 ETektrodenoberfläche zirkulieren ließ. Die Stromdichte betrug während der Ladungsstufe 0,1 A/cm2 und die Ladung wurde verlängert entsprechend 40 Mhr pro kg Chrom in dem System.The corresponding cell compartments were allowed to circulate at a flow rate of 1000 cm 3 per minute per 1000 cm 2 of the electrode surface. The current density during the charging stage was 0.1 A / cm 2 and the charging was prolonged corresponding to 40 Mhr per kg of chromium in the system.
An dieser Stelle wurden die Akkumulatorklemmen mit einem äußeren Stromkreis verbunden und der Akkumulator wurde bei einer Stromdichte von 0,1 A/cm2 entladen. Die Fließgeschwindigkeit der Lösung durch den Akkumulator wurde auf 1000 cm3/Minute pro 1000 cm2 Elektrodenoberfläche gehalten. Der Akkumulator hatte eine elektromotorische Kraft von 1,7 Volt und eine Betriebsspannung von 1,5 Volt,At this point, the battery terminals were connected to an external circuit and the battery was discharged at a current density of 0.1 A / cm 2. The flow rate of the solution through the accumulator was kept at 1000 cm 3 / minute per 1000 cm 2 of electrode surface. The accumulator had an electromotive force of 1.7 volts and an operating voltage of 1.5 volts,
Die Leistungsdichte betrug 5,8 k Wh/m2 und die Energieausbeute während einem gesamten Zyklus betrugThe power density was 5.8 k Wh / m 2 and the energy yield was during an entire cycle
Es ist offensichtlich, daß verschiedene Modifizierungen des erfindungsgemäßen Akkumulators möglich sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.Obviously, various modifications of the Accumulator according to the invention are possible without the frame to leave the present invention.
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