DE899212C - Verfahren zur direkten UEmwandlung der chemischen Energie des Kohlenstoffes oder brennbarer Gase in elektrische Energie auf elektrischer Wege - Google Patents

Verfahren zur direkten UEmwandlung der chemischen Energie des Kohlenstoffes oder brennbarer Gase in elektrische Energie auf elektrischer Wege

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DE899212C
DE899212C DER6088A DER0006088A DE899212C DE 899212 C DE899212 C DE 899212C DE R6088 A DER6088 A DE R6088A DE R0006088 A DER0006088 A DE R0006088A DE 899212 C DE899212 C DE 899212C
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electrolyte
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Dr Eduard Justi
Dr Herbert Spengler
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Ruhrchemie AG
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Ruhrchemie AG
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Description

(WiGBl. S. 175)
AUSGEGEBEN AM 10. DEZEMBER 1953
R6o88IVb/2ib
Der grundsätzliche Vorteil einer Arbeitsweise, bei welcher die chemische Energie der Kohle nicht auf dem Wege über die Wärmeenergie, sondern elektrochemisch in elektrische Energie verwandelt wird, beruht auf der Tatsache, daß der Wirkungsgrad bei reversibler Führung des Prozesses beliebig nahe an ι gerückt werden kann. Ein solcher Wirkungsgrad ist bei einem über Wärmekraftmaschinen verlaufenden Vorgang auf Grund des zweiten Hauptsatzes nur unter Verwendung sehr großer, praktisch nicht herstellbarer Temperaturdifferenzen möglich. Aus diesem Grund liegt der Wirkungsgrad unserer besten heutigen Kraftwerke nur bei etwa 30%.
Die praktische Verwirklichung des Gedankens der Brennstoffkette stößt indessen auf die wesentliche Schwierigkeit, daß der Kohlenstoff bei normalen Temperaturen außerordentlich reaktionsträge ist. Um Polarisationen zu vermeiden, ist man daher gezwungen, bei wesentlich erhöhten Temperaturen von etwa 6oo° an zu arbeiten.
Es ist eine große Reihe von Vorschlägen für die praktische Durchführung der Brennstoffkette gemacht und ausprobiert worden, ohne daß einer sich in der Praxis bewährt hätte (vgl. z. B. die zusammenfassende, Darstellung bei Justi, Leitfähigkeit und Leitfähigkeitsmechanismus fester Stoffe, Göttingen 1948). Nach den bisherigen Erfahrungen scheint es am günstigsten zu sein, für den Elektrolyt der Brennstoffkette Festleiter zu verwenden, da flüssige Electrolyte unüberwindbare Materialschwierigkeiten verursachen.
Von B a u r und Preis (Zeitschrift für Elektrochemie 43, 727, 1937) wurde als Festleiter ein Gemisch von Ton, Cerdioxyd, in Gestalt von Monazit-Glührückständen, und Wolframtrioxyd vorgeschlagen. Hiermit läßt sich eine EMK von etwa 0,7 Volt erreichen, das sind etwa 70% der theoretisch erreichbaren EMK von 1,02 Volt. Während des Dauerbetriebes erleidet dieses Material indessen ziemlich bald irreversible Veränderungen,
ίο so daß es für eine praktische Verwendung nicht in Frage kommt.
Ein weiterer Nachteil der Baursehen Zelle ist, daß sie erst bei sehr hohen Temperaturen (etwa 11000) einen ausreichend kleinen inneren Wider-
stand erreicht. Derart hohe Temperaturen haben aber prinzipiell große Nachteile; durch die hohe Temperaturdifferenz gegenüber dem Außenraum ist ein großer Aufwand für die Wärmeisolation erforderlich, um die Wärmeverluste in erträglichen
Grenzen zu halten; weiterhin entstehen bei dem Aufbau größerer Elemente große Materialschwierigkeiten, und schließlich wird der Wirkungsgrad dadurch beeinträchtigt, daß bei hohen Temperaturen als Sekundärreaktion eine Dissoziation des Kohlendioxyds gemäß der Reaktion
2 CO2 = 2 CO +O2
eintritt.
Es wurde gefunden, daß das Verfahren zur direkten Umwandlung der chemischen Energie des Kohlenstoffs oder brennbarer Gase, wie Wasserstoff, Methan und Kohlenoxyd und deren Mischungen, in elektrische Energie auf elektrochemischem Wege unter Umsetzung der Kohle oder Gase in Form einer Brennstoffkette besonders leicht mit sehr gutem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann, wenn als Festleiter für diese Breninstoffkette ein trägerloser Körper aus Alkali- oder Erdalkalicarbonat, der durch Schmelzen oder Sintern hergestellt wurde, oder ein· poröser keramischer Körper, der mit einem Elektrolyt, vorzugsweise einem Salz der Alkali- oder Erdalkaligruppe, getränkt ist, verwendet wird und daß die Umwandlung in elektrische Energie bei Temperaturen, bei weichen sich der Festleiter noch unterhalb seines Schmelzpunktes befindet, erfolgt.
Der als Elektrolyt für die Brennstoffkette dienende Festleiter besteht aus einem porösen keramischen Körper, der mit einem der obenerwähnten Salze der Alkali- oder Erdalkaligruppe getränkt ist. In diesem Falle wurde gefunden, daß der keramische Träger besonders vorteilhaft aus einem basisch reagierenden Material, vorzugsweise Magnesiumoxyd, besteht; denn es hat sich gezeigt, daß auf die Dauer keramische Träger auf Silikatbasis auch bei Temperaturen, die unterhalb des Schmelzpunktes der Alkalicarbonate liegen, stark angegriffen werden.
Eine, zweite, sehr vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, auf den keramischen Träger überhaupt zu verzichten und den Festleiter durch Gießen in einer geeigneten Nickel- oder Kohleform oder durch Pressen und anschließendes Sintern des für den Elektrolyt verwendeten Salzes herzustellen.
Ein Ausführungsbeispiel für die beschriebene Arbeitsweise zeigt die Abbildung. 1 ist ein Becher aus zunderbeständigem Eisen mit der Stromableitung 4; konzentrisch befindet sich in diesem Becher der Festleiter, z. B ein mit Alkalicarbonat getränktes keramisches Rohr 2, das unten geschlossen ist. Wie bereits erwähnt, läßt sich das keramische Rohr auch durch eine trägerlose Guß- bzw. Sinterzelle ersetzen. Der Zwischenraum zwischen dem Festleiter und dem äußeren Eisentiegel ist in bekannter Weise mit Eisenoxyduloxyd Fe3 O4 gefüllt, das als Sauerstoffübertrager dient und die Kathode bildet.
Da während des Betriebes das dreiwertige Eisen zu zweiwertigem reduziert wird, muß das' Fe3 O4 durch einen Sauerstoff- bzw. Luftstrom stets nachoxydiert werden, der durch das Zuleitungsrohr 3 zugeführt wird.
Die Anode wird durch die im Inneren des keramischen Rohres 2 befindliche Kohle gebildet. Als Stromableitung dient ein Kohlestab oder ein metallischer Leiter 5.
Das Brennstoffelement ist in !einem in der Abbildung' nicht gezeichneten Ofen angeordnet, durch welchen die erforderliche Reaktionstemperatur von etwa 700 bis 8oo° eingehalten wird.
Beim Erhitzen des Elementes auf etwa 650° stellt sich eine Spannung von etwa 0,99 bis 1,0 Volt ein, während die thermodynamisch aus dem elektrochemischen Prozeß berechnete Spannung (ziemlich unabhängig von der Temperatur) etwa 1,02 Volt beträgt. Der Wirkungsgrad, der durch das Verhältnis der tatsächlich erreichten Klemmenspannung zur theoretisch möglichen dargestellt wird, erreicht somit einen Wert von 98%. Entnimmt man dem Element Strom, so ist dessen Größe, abgesehen von der elektromotorischen Kraft (EMK) des Elementes, durch den äußeren und den inneren Widerstand bestimmt. Infolgedessen ist es erforderlich, den inneren Widerstand des Elementes möglichst klein zu halten. Im Gegensatz zu den früher verwendeten Festleitern sind die in der beschriebenen Anordnung erzielbaren inneren Widerstände relativ klein. Sie betragen bei Temperaturen von etwa 750 bis 8oo° etwa 1 bis 2 Ohm.
Es ist auch möglich, die elektrochemische Umsetzung von brennbaren Gasen, wie Wasserstoff, Methan, Kohlenoxyd usw. und deren Mischungen, in der beschriebenen Anordnung für das Brennstoffelement durchzuführen. In diesen Fällen wird beispielsweise die Kohleiüllung in dem keramischen Rohr 2 durch Eisen oder andere Metallspäne ersetzt und das Brenngas durch ein. zentrales Einleitungsrohr zugeführt.
Wie erwähnt, arbeiten Brennstoffelemente nur bei erhöhten Temperaturen. Zwar verbraucht der elektrochemische Prozeß an sich keine Wärme, doch geht durch Leitung und Strahlung stets Wärme nach außen verloren, auch wenn man sich bemüht, diese Verluste durch Wärmeisolation der äußeren Umhüllung möglichst her abzudrücken. Wie gleichfalls erwähnt, besitzen die Brennstoffelemente einen bestimmten inneren Widerstand. Infolgedessen entsteht bei der Belastung des EIe-
mentes Joulesche Wärme. Durch geeigneten Aufbau der Elemente und des äußeren Belastungskreises läßt sich nun erreichen, daß die bei der Belastung entstehende Joulesche Wärme gerade ausreicht, um die äußeren Wärmeverluste zu decken. Dementsprechend ist es vorteilhaft, den inneren Widerstand des Brennstoffelementes so zu regeln, daß die äußeren Wärmeverluste gerade gedeckt werden. Dies kann beispielsweise sehr leicht geschehen, wenn man den von dem Element gelieferten Strom für die Elektrolyse einer Metallsalzlösung verwendet.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    i. Verfahren zur direkten Umwandlung der chemischen Energie des Kohlenstoffs oder brennbarer Gase, wie Wasserstoff, Methan, Kohlenoxyd oder deren Mischungen, in elektrische Energie auf elektrochemischem Wege unter Umsetzung der Kohle oder Gase in Form einer Brennstoffkette, dadurch gekennzeichnet, daß als Festleiter für diese Brennstoffkette ein poröser keramischer Körper, der mit einem Elektrolyt, vorzugsweise einem Salz der Alkali- oder Erdalkaligruppe, getränkt ist, oder ein trägerloser Körper aus Alkali- oder Erdalkalicarbonat, der durch Schmelzen oder Sintern hergestellt wurde, verwendet wird und daß die Umwandlung in elektrische Energie bei Temperaturen erfolgt, bei welchen sich der Elektrolyt noch unterhalb seines Schmelzpunktes befindet.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung in elektrische Energie bei Temperaturen zwischen 600 bis 8500 erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als keramischer Träger für den Elektrolyt ein basisch reagierendes Material, vorzugsweise MgO, verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach. Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Widerstand des Brennstoffelementes und dessen äußere Belastung durch Stromabnahme so geregelt wird, daß die äußeren Wärmeverluste gedeckt werden.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
    1 5637 11.53
DER6088A 1951-06-04 1951-06-05 Verfahren zur direkten UEmwandlung der chemischen Energie des Kohlenstoffes oder brennbarer Gase in elektrische Energie auf elektrischer Wege Expired DE899212C (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1119352B (de) * 1957-09-12 1961-12-14 Tno Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffelementes zum Betrieb mit gasfoermigen Brennstoffen
DE1146150B (de) * 1955-12-29 1963-03-28 Nat Res Dev Verfahren zum Betreiben von Brennstoff-Elementen

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DE1146150B (de) * 1955-12-29 1963-03-28 Nat Res Dev Verfahren zum Betreiben von Brennstoff-Elementen
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