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 WegeInfo
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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)
- 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. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung in elektrische Energie bei Temperaturen zwischen 600 bis 8500 erfolgt.
- 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. 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 Zeichnungen1 5637 11.53
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Cited By (2)
| 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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1951
- 1951-06-05 DE DER6088A patent/DE899212C/de not_active Expired
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1146150B (de) * | 1955-12-29 | 1963-03-28 | Nat Res Dev | Verfahren zum Betreiben von Brennstoff-Elementen |
| DE1119352B (de) * | 1957-09-12 | 1961-12-14 | Tno | Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffelementes zum Betrieb mit gasfoermigen Brennstoffen |
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