DE367151C - Bei hohen Temperaturen wirkendes Brennstoffelement - Google Patents
Bei hohen Temperaturen wirkendes BrennstoffelementInfo
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Description
Es wurde mehrfach versucht, die Energie der Kohle zur unmittelbaren Erzeugung von
elektrischem Strom nutzbar zu machen. Wegen der bekannten Trägheit der Kohle blieben Versuche mit den verschiedensten
Katalysatoren erfolglos, so daß man die Verwendung höherer Temperaturen in Betracht
zog. Aus einem Versuche von Bequerel (1855) ist bekannt geworden, daß' von einem
Kohlenstab, wenn derselbe in einem Platintiegel in geschmolzenes K2 C O3 gejaucht wird,
durch den Verbindungsdraht (positiver) Strom nach dem Tiegel fließt. Auf dieser Grnudlage waren zahlreiche Forscher tätig,
und es wurde aus verschiedenen Mitteilungen bekannt, daß Kohle in geschmolzenen Elektrolyten als positive (dem- Zn ähnliche)
Elektrode wirkt, sowie daß die passiven Fe-, Cu-, Ni- wie auch Pt-, Ag-, Au-, Cu-Elek-
ao troden (in geschmolzenem Na O H) alle dasselbe, dem Sauerstoff der Luft entsprechende
Potential zeigen, also als Luftelektroden verwendet werden können.
Die Ergebnisse dieser und anderweitiger Versuche kamen jedoch, sei es, daß geschmolzene
Alkalihydroxyde (J a q u e s) oder Alkalikarbonate
(Haber und Bechterew) als Elektrolyte verwendet wurden, zu keiner
Bedeutung, denn die elektromotorische Kraft der Elemente erreichte auch bei hoher Temperatur
bloß 0,3 Volt, und die bei einzelnen Versuchen erreichten höheren Werte sind gar
bald herabgesunken. Nur Bauer und
Ehr enberg (Z. f. El. Chem. 18, 1002,
191-2) erzielten dauernd die theoretische
Spannung von ungefähr 1 Volt mittels geschmolzener Ag-Elektrode und darein geleiteten
O-Stromes. Praktisch kann die Verwendung von geschmolzenem Silber nicht in
Betracht kommen und ist nach meinen Versuchen auch nicht erforderlich, weil auch die
einfachsten, mit Eisen- oder Kupferoxyd belegten Elektroden zum Ziele und bei entsprechender
Wahl des Elektrolyts sogar zu einem weit besseren Ergebnis führen.
Meine Versuche ergaben, daß ein auch praktisch in Betracht kommendes Ergebnis in
erster Linie von der Beschaffenheit des Elektrolyts abhängig ist. Auf Grund meiner diesfälligeh
Versuche ist für den Elektrolyt erforderlich, daß
r. er den Strom gut leitet; die festen Oxyde (Ca O, Mg O, Al2 O3 usw.) sind daher
nicht geeignet, teils wegen ihrer geringen spezifischen Leitfähigkeit, teils weil sie mit
den Elektroden schlechte Kontakte geben;
2. er mit den Elektroden unmittelbar nicht reagiert. Die durch C reduzierenden Nitrate,
Phosphate, Sulphate usw. sind daher ungeeignet. Bei Verwendung von Chloriden wirkt
das an der Kohle ausscheidende Chlor als Cl2-Gas-Elektrode und vermindert die elektromotorische
Kraft. In Boraten und Silikaten werden die an der Metallelektrode entstehenden Oxyde stark gelöst; sie sind daher — zumal·
in der Nähe der Metallelektrode — zu vermeiden. Praktisch scheinen die Alkalikarbonate
am besten zu entsprechen. Bei Temperaturen um 800 bis 9000 entsteht
jedoch auch bei diesen C O2, das mit der C-Elektrode in Reaktion tritt, wobei
C O entsteht; andererseits können Na
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und K bei den in Betracht kommenden hohen Temperaturen ebenfalls reduziert werden.
Hierdurch nimmt die Nutzleistung unter größerem Kohlenverbrauch ab. Bei den bisher verwendeten gut leitenden
Elektrolyten besteht der größte Übelstand außer den genannten Schwierigkeiten hauptsächlich
darin, daß dieselben, da sie bei den erforderlichen Temperaturen dünnfließend to sind, sich in die Poren des als Luftelektrode
dienenden porösen Metalloxyds einsaugen, an der Elektrode hinaufkriechen und, indem sie
deren Oberfläche bedecken, die Regeneration, d. h. die Rückoxydation des durch den Strom
reduzierten Metalles durch die Luft verhindern, wodurch die elektromotorische Kraft
um mehrere Zehntel bis ein ganzes Volt vermindert wird.
Nach meinen Versuchen lassen sich alle diese Nachteile und Übelstände vermeiden
oder wenigstens wesentlich verringern, wenn man gemäß vorliegender Erfindung dem
dünnfließenden Elektrolyt, z. B. geschmolzenem Na2 C O3, gegen den Elektrolyt und die
Elektroden chemisch indifferente Stoffe, wie schwer reduzierbare Metalloxyde, z. B. Mg O.
Al2 O3 usw., schwer dissoziierende Karbonate
(Ba C- O0 usw.) oder deren Gemische vorteilhaft in gekörnter oder pulverisierter Form
zusetzt, so daß der Elektrolyt eine plastische, weiche, hutterartige Konsistenz erhält. Die ;
Wirkung dieser Zusätze ist mehrfach. Da- j durch, daß die Alkalikarbonatschmelze, auf :
das gleiche Volumen berechnet, in ihrem Ge- ' halt an Alkalikarbonat durch die Zusätze ver- \
dünnt wird, nimmt die C O2-Entwicklung und :
damit die Intensität der schädlichen Nebenreaktion C O2 + C = 2 C O ab, und_ zwar j
nicht nur infolge der Abnahme des Dissoziationsdruckes des C Oa, sondern auch dank j
dem weiteren wichtigen Umstand, daß in dem ! gemäß der Erfindung plastisch, in seiner Kon- |
sistenz butterartig gemachten Elektrolyt | keine Zirkulation stattfindet, während bei den
bisher gebräuchlichen dünnflüssigen Elektrolyten durch die unvermeidliche Zirkulation, '
wobei d:e Reaktionsprodukte fortwährend ' entfernt und neue Stoffmengen zugeführt
werden, die Geschwindigkeit sowohl der oben ■ beschriebenen Reaktion wie der Reduktion
von K und Na erheblich gesteigert wird. Der ; neue Elektrolyt hat noch den weiteren bedeu- j
tenden Vorteil, daß er die Gefäßwandung, j den Schutzbelag der Elektroden wie auch die j
Metall-(Oxyd-)Elektrode selbst weit weniger ι angreift als reines geschmolzenes Alkalikar- j
tonat, dessen Atz- und Lösungskraft sozusagen· unwiderstehlich ist. Außerdem fällt
der Nachteil, daß die sich von der arrodierten Elektrode lostrennenden Oxydstücke dadurch,
daß sie in dem bisherigen dünnflüssigen Elektrolyt hinabsinken und mit der Kohle in unmittelbare
Berührung gekommen, reduziert werden, wobei die Kohle mit einer die Wirkung hemmenden Metallschicht überzogen
wird. In dem viskosen Elektrolyt bleiben die etwa losgetrennten Elektrodenteile suspendiert
und können mit der Kohle nicht in Berührung treten. Der Hauptvorteil des neuen Elektrolyts besteht aber darin, daß er dank
seiner butterartigen Konsistenz an der Elek- ; trade nicht hinaufkriecht, in die Poren der-
: selben nicht eingesaugt wird und somit für die Regeneration nicht hinderlich ist. Die
Leitfähigkeit des Elektrolyts bleibt anständelos gut. Es. bedarf ferner 'keines O-Übertragers
wie das Manganat-Manganit-Gemenge nach Haber in dem geschmolzenen Na O H
des Jacqueselementes.
Bei Verwendung des netten Elektrolyts geben nicht nur Ag und Pt, sondern auch Ni,
Fe usw. Luftelektroden mit sehr beständigem und hohem Potential (ungefähr —0,3 Volt
gegenüber der normalen Kalomelelektrode) ; ab. Stäbe, Platten u. dgl. aus den genannten
: Metallen (insbesondere aus Cu), mit dem unteren Ende in den Elektrolyt getaucht und
oben durch Luft umgeben, werden nach einigen Minuten derart oxydiert, daß sie das gewünschte
Potential zeigen. Die Polarisation wird natürlich geringer, wenn die Oxydschicht
dicker und porös ist, wenn sie z. B. j durch wiederholte Oxydation und Reduktion
: oder durch Aufpressen des Oxyds usw. her-' gestellt wird. Aber auch ohnedies gibt die
entstehende dünne Oxydschicht, die durch den Strom reduziert und durch die Luft fortwährend
undi sofort wieder oxydiert wird, eine so gute Luftelektrode ab, daß diese gegenüber
Kohle bei ungefähr 9000 eine tage-, ja sogar wochenlang konstante elektromotorische Kraft
von i,2 bis 1,3 Volt liefert.
Die elektromotorische Kraft ist von der Qualität, Art oder Struktur der Kohle ziemlich
!unabhängig·; präparierte Retortenlampenkohlen
und die verschiedensten Schwarz- und Braunkohlen geben nahezu dieselbe Spannung,
die von loser Struktur eine etwas höhere, die kompakten eine etwas niedrigere. Einer besonderen
Vorbereitung bedarf es nicht, nicht einmal bei Verwendung gasreicher Kohlen. Während des Aniwärmens entweichen zuerst
die flüchtigen Bestandteile der Kohle. Die Destillation kann sowohl vor wie nach
der Zusammenstellung des Elementes bewirkt ng werden. Die Luftelektrode wirkt, solange die
Reduktionsgase an sie streifen, schlecht oder überhaupt nicht, sie erholt sich aber kurz nach
beendeter Destillation. Es ist nicht erforderlich, daß die Kohle verkohlbar sei; bei der
angewendeten Temperatur ist die Leitfähigkeit auch ohnedies genügend hoch.
Die Verwendbarkeit des Elementes ist natürlich nicht an eine bestimmte Form der '
Aus führung· 'gebunden. Bei .der in der Zeichnung
beispielsweise dargestellten Ausführungsform wird die auf Haselnußgröße zer- ·
kleinerte Kohle b auf dem Eisenteller α von ι etwa ι m2 Flächenraum in einer Schichthöhe '
von ι 'bis 2 cm ausgebreitet, hierauf der j zweckmäßig vorher zusammengepreßte Elek- !
ίο trolyt c (z. B. ioo Gewichtsteile CaO, ioo Ge- j
wichsteile MgO, 8o Gewichtsteile Na2 C O3,
6ooGewichtsteileK2COs) geschichtet und auf
letzteren die Kupferelektrode d gesetzt. Diese besteht aus einer Kupferplatte von ebenfalls
ι m2 FJäche, von deren Unterseite kammartig
in Abständen von etwa 1 cm zueinander parallel angeordnete, etwa 2 am breite Kupferplatten
e hinabreichen und mit ihrem, unteren Rande so tief in den Elektrolyt tauchen, daß
sie in denselben auch nach seinem Zusammenschmelzen und nach Verbrennung der ! Kohle hineinreichen. Innerhalb der etwa 1 cm ;
starken Randung des Eisentellers α ist eine | etwa 5 cm hohe Umhüllung aus Leisten f aus ;
feuerfestem Material (Schamott) eingesetzt, j durch welche zugleich die beiden Elektroden i
in entsprechender Entfernung gehalten und j elektrisch isoliert werden.
Bei Übereinandersetzung solcher Elemente sind idieselben ohne weiteres in Reihe geschaltet
und geben z. B. 20 Elemente bei 30 · 0,8 = 16 Volt Klemmenspannung und ungefähr
200 Amp. Stromstärke eine Leistung von ungefähr 2 KW.
In praktischer Ausführung können die derart aus 20 Elementen zusammengestellten
Gruppen von 1 m3 Rauminhalt z. B. in einem schachtartigen Ofen untergebracht werden,
derart, daß an der einen Seite frische EIe-
4.0 mente eingeschoben und dieselben nach 10 bis
14 Tagen an der anderen .Seite entfernt werden usw. Die Luftzufuhr und die Ableitung
der Verbrennungsgase kann auf beliebige Art, z. B. mit Hilfe eines geeigneten Rohrsystems,
erfolgen.
Es sei noch bemerkt, daß der für die elektromotorische Kraft'des neuen Elementes im '
Versuchawege gefundene Wert von 1,2 bis ι ,4 Volt mit dem auf Grund des Wärmetheorems
von Nernst für die Oxydation der
Kohle zu C O zu rechnende Wert von 1,2 Volt
(bei etwa 9300) 'gut übereinstimmt. Ee
scheint, daß die elektromotorische Kraft des Kohle-Luft-Elementes durch den Vorgang
C-C O und nicht 'durch den Vorgang C 0-C O2
bestimmt wird; dem letzteren Falle würde auf Grund der Theorie von Nernst eine
elektromotorische Kraft von bloß 1 Volt entsprechen. Diese Annahme wird auch, dadurch
bestätigt, daß nach meinen Versuchen die elektromotorische Kraft des Elementes bei
Erhöhung der Temperatur zunimmt, so wie die freie Enegie der Reaktion C-C O, während
bei der Reaktion C 0-C O2 die freie Energie bei Herabsetzung der Temperatur abnimmt.
Nach, meinen Versuchen werden 14 bis Prozent der Energie der verbrauchten
Kohle in elektrische Energie umgewandelt. Das übrigej etwa 80 Prozent, genügt, sowohl
die ganze Einrichtung auf 9000 zu erhitzen, wie auch bei entsprechender Wärmeisolierung
zur Deckung der Leit- und Strahlungsverluste.
Claims (5)
1. Bei hohen Temperaturen (um 700 ° bis 10000) wirkendes Brennstoffelement
nach dem Schema: Kofale-Elektrolyt-Metalloxyd-Metall-Luft,
dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt bei den wirksamen Temperaturen eine stark viskose,
weiche, Jbutterartige -Konsistenz besitzt.
2. Galvanisches Element nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der
Elektrolyt aus einem Gemenge der hierfür bisher verwendeten Stoffe (Alkalikarbonate)
mit Stoffen, welche zur Erhöhung der Viskosität geeignet sind und auf die übrigen Bestandteile des Elementes go
chemisch nicht einwirken (Oxyden, schwer dissoziierenden Karbonaten) besteht.
3. Galvanisches Element nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Verwendung
von Kohlen beliebiger Sorte und Struktur.
4. "Aiusführungsform des galvanischen
Elementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode ■
durch eine Eisenpfanne gebildet wird, auf welcher die zweckmäßig zerkleinerteKohle
ausgebreitet und darüber der Elektrolyt geschichtet ist, und daß die feuerfeste,
z. B. aus Schamottdielen bestehende Seitenwandung des Elementes zugleich zur
Isolierung der in den Elektrolyt eingetauchten Kupferelektrode von der negativen
Elektrode dient.
5. Eine Batterie atts Elementen nach
Anspruch 1 und 4, (dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in einem gemeinsamen
schaohtartigen Ofen untergebracht sind, der mit einem beliebigen Rohrsystem
ο. dgl. Einrichtung für die Luftzufuhr und Ableitung der Verbrennungsgase ausgerüstet
ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.
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