SE442255B - Forfarande vid drivning av en vetgas-syrgasbrenslecell samt anleggning for framstellning av elektrisk energi - Google Patents

Description

sno2572-9 använder en sådan, som erhålles vid drivning av en vattenhal- tig galvanisk högenergicell med elektroder av litium, alumi- nium och en Li/Al-legering och HZOZ och/eller H20 som katod- polarisator. Dylika galvaniska högenergiceller av det nämnda slaget är kända exempelvis från GB patentskriften 1 530 214.

De består i allmänhet av en högreaktiv_negativ alkalimetall- elektrod och en motelektrod av inert metall, vilka båda är neddoppade i en vattenhaltig elektrolytlösning. Som depola- risatorer vid motelektroden kan syre, väteperoxid eller till och med vatten tjäna. Speciella åtgärder såsom frambringandet av porösa täckskikt på den negativa elektroden har vidtagits för att förhindra alltför häftig inverkan av vattenmolekyler- na på alkalimetallen. Likväl kännetecknas förloppen såväl vid alkalimetallelektroden som vid den positiva depolarisator- elektroden av kraftig irreversibilitet, som gör sig märkbar genom gasutveckling och värmeavgivning. w Om man betraktar en Li/HZOZ-cell, så ges den egentli- ga strömlämnande reaktionen genom formeln (1) Li + 1/2 3202----> Li0H (+värme+elektr.energi) Vid sidan härav förlöper parasitära reaktioner, som inte kan utnyttjas elektrokemiskt, nämligen I _ (2) Li + H20 Kal Lion + 1/2 H2 (korrosion) (3) H2O2 -----> H20 + 1/2 02 (sönderdelning) Om ingen oxidant är närvarande, blir H20 med natur- nödvändighet depolarisator, varvid ytterligare väte frisätts genom reduktion av vattnet. _ <4) H20 + ë -_% on* +1/2 H2 Driften av en vattenhaltig galvanisk högenergicell är därför inte oproblematisk. Trots detta görs idag intensi- va ansträngningar i riktning mot att för nämnda elektrokemiska system öppna lämpliga användningsområden, t¿ex. som energi- _ celler vid fartygsdrift. Den teoretiska vilospänningen hos en Li/HZOZ-cell uppgår i alla fall till 3,92 V och den på_' litium angivna energitätheten ligger vid 15150 Wh/kg,y 0 Genom kombinationen enligt uppfinningen öppnas möjlig- het icke bara att ofarligt avlägsna cellgaserna utan också att tekniskt utnyttja den speciellt hos vätgasen inneboende energin. 8002572-9 Syftemâlet att undanröja olägenheterna med det inled- ningsvis angivna förfarandet uppnås på grundval av ovanstående genom att den blandning av vätgas och syrgas, som tillföres bränslecellen, erhålles vid drivning av en vattenhaltig galva- nisk högenergicell med elektroder av litium, aluminium eller en Li/Al-legering och H2O2 och/eller H20 som katodpolarisator, varvid för det fall att högenergicellen i fråga om drivning med H2O2 som depolarisator avger en blandning av vätgas och syrgas med ett överskott av syrgas i förhållande till vattnets stökiometri, detta överskott avlägsnas från blandningen eller eventuellt kompenseras genom tillförsel av vätgas från en källa utanför högenergicellen eller varvid för det fall, att högenergicellen arbetar med en genom ersättning med vatten strypt tillförsel av HZOZ, så att högenergicellen avger en gasblandning med ett underskott av syrgas i förhållande till vattnets stökiometri, denna syrgas kompenseras genom tillför- sel av syrgas från en källa utanför högenergicellen så att mot den till gaskammaren vid den negativa elektrcden förda vätgasen svarar åtminstone en vid elektroden i den positiva kammaren tillgänglig, mot vattnets stökiometri svarande mängd syrgas.

I princip förfar man enligt uppfinningen så att den från litiumcellen utgående gasblandningen först tillföres 02-elektroden i bränslecellen, där syret i hög grad bortta- ges från den, varpå restgasen förs in i H2-elektroden i bräns- lecellen. Bränslecellens drift tillåter bara elektrokemisk omsättning av H2 och 02 i vattnets stökiometriska förhållande.

Om H2 alltså är närvarande i överskott, så kvarblir detta överskott som ej omsättbart och måste avblåsas som en inert gas vid bränslecellens ände. Om emellertid 02 är närvarande i överskott, så följer detta överskottssyre med in i bränsle- cellens H2-elektrod. Det är nu en egenskap hos alla H2-elek- troder, att de även samtidigt omsätter 02 elektrokemiskt i kortslutning. I detta fall medförtärs ett 02-överskott i H2- elektroden. Detta förhållande tar sig otvivelaktigt uttryck i en sänkning av verkningsgraden för gasblandningens elektro- kemiska enorgiomvundling i bränslecollfln. soo2s72-9 Vid förfarandet enligt uppfinningen vidtages därför åtgärder i syfte att erbjuda bränslecellen driftsgaserna väte och syre i ett optimalt förhållande, nämligen vattnets stökio- metriska förhållande. Detta sker vid ett H2-överskott enklast genom att man matar in luft eller t.ex. från peroxidsönder- delningen härstammande 02 i den till 02-elektroden flytande gasblandningen. _ ' Vid ett 02-överskott däremot skiljs detta från gas- blandningen så att endast rent H2 kommer till den negativa bränslecellelektroden. Som speciellt fördelaktig anordning för avskiljandet har enligt uppfinningen visat sig en elektro- kemisk cell, som grundar sig på principen för en O2/O2-gas- kedja och här fungerar som “reningscell".

Uppfinningen avser även en anläggning för framställ- ning av elektrisk energi med hjälp av en vätgas-syrgas-bräns- lecell, som har en gaskammare vid den positiva elektroden för tillförsel av syrgas till denna och en gaskammare vid den nega- tiva elektroden för tillförsel av vätgas till denna.AnHkgnhmæn kännetecknas av, att den därutöver har en galvanisk högener- gicell med elektroder av litium, aluminium eller en Li/Al- legering och med väteperoxid som katodpolarisator, varvid cellen avger en blandning av syrgas och vätgas med ett över- skott av syrgas i förhållande till vattnets stökiometri och en första gasledning för att leda blandningen av syrgas och vätgas till gaskammaren vid den positiva elektroden i bräns- lecellen, en andra gasledning för att leda en blandning av vätgas och i bränslecellen icke förbrukad syrgas till en reningscell för avskiljning av syrgasen, och en tredje gasled- ning för att leda ren vätgas till gaskammaren vid den negati- va.elektroden i bränslecellen.

I Andra utföringsformer av och drag hos uppfinningen kommer att framgå av nedanstående beskrivning under hänvisning till medföljande ritningar, där fig. 1 ger en överblick över förfarandet enligt upp- finningen och fig. 2 visar uppfinningsföremâlet schematiskt inom *ramen för ett i sig slutet energiförsörjningssystem. _i_.___._íí..,__.____.r .>..._,. .l V. . V »- -n-rr- _ __' VI___í-____- 'LI/ *i .I _ Ü 8002572-9 En med HZO2 som oxidant beskickad vattenhaltig Li- cell 1 enligt figur 1 arbetar allt efter belastningen med en driftspänning ULi/H O av 2,0 till 2,6V. Den från litiumcel- len utträdande gasen innehåller per mol H2 ett utöver 1/2 mol 02 gående 02-överskott n. Denna gasblandning förs till en bränslecell 2 över ett gasrum 3 tillhörande 02-eiektroden 4.

Där omsätts vid samtidig tillförsel av 1 mol H2 till den ne- gativa bränslecellelektroden 6 med gasrum 51/2 mol 02 till H20. Mellan de båda elektroderna befinner sig elektrolyt 7.

I den positiva elektroden förhåller sig emellertid H2 som en inert gas; den går fortfarande förorenad med n mol 02 per mol ut ur den positiva bränslecellens gasrum 3 och förs till en reningscell 8.

Denna består av två lika, porösa elektroder 9 och 10 av inert metall liknande dani bränslecellen. Reningscellen innehåller på samma sätt gasrum 11 och 12 framför elektroder- na samt en elektrolyt 13. Om man pâ polerna 14 och 15 lägger en spänning, varvid polen 14 är negativ pol, reduceras vid elektroden 9 utifrân framdiffunderande syre enligt (s) 1/2 02 + H20 + ze' > zon' och avskiljs åter vid elektroden 10 genom oxidation enligt (e) zon' -_-> H20 + 1/2 oz + ze' En sådan cell representerar så att säga omvändningen av en 02/02-gaskedja, vilken vid inmatning av 02 i den ena av elektroderna ger en av tryckdifferensen för gasen i de båda elektrodrummen beroende spänning.

Om i enlighet härmed det med 02 förorenade vätet strömmar in i gasrummet 11 i reningscellen och man driver den- na med en spänning mellan 0,3 och 1 V, så sker en syreförtä- ring vid den negativa elektroden 9 (katoden). Vid tillräck- lig spänning, som beror av de använda elektrodmaterialens art, även katalysatorns, inställer sig en gränsström, som bestäms av den restlösa förbrukningen av det syre som finns i vätet.

Medan överskottet av n moler 02 från avskiljnings- elektroden 10 helt enkelt försvinner ut i det fria, lämnar det renade vätet reningscellen och förs över den negativa "iíoon QUALITY 8002572-9 elektrodens 6 gasrum 5 till bränslecellen. Från denna kan därmed uttagas energi vid en klämspänning UH O av omkring 0,9 V. 2 2 Lämpligen kan en gasackumulator 16 anslutas till H2- ledningsvägen mellan reningscellen 8 och gasrummet 5 framför den negativa bränslecellelektroden. Den tjänar till att upp- fånga ett tillfälligt för högt H2-utbud och fylla upp en eventuellt genom transportförluster uppkommen H2-brist.

Om luft sätts till den från litiumcellen-strömmande gasblandningen vid syrebrist; så vandrar kväve med som inert- gas. Det kan föras bort vid ledningsvägens slut genom en ven- t1117. i En viktig fördel med förfarandet enligt uppfinningen ligger i att inställningen av gasblandningens nödvändiga stökiometri för bränslecelldriften uteslutande företages över 02-komponenten. Denna kan, eftersom den är förfogbar i god- tycklig mängd i luft, vid överskott även avges outnyttjad från reningscellen, medan det från litiumcellen i begränsad utsträckning levererade vätet utnyttjas fullständigt.

Den i figur 1 visade förfarandeprincipen kan otvivel- aktivt även med fördel utvidgas till en celldrift, vid vil- ken det tidigare efter avskiljning-i reningscellen förkasta- de syret också förs tillbaka i bränslecellen. Sålunda uppkom- mer ett fullständigt i sig slutet cirkulationssystem såsom visas i figur 2. Ett sådant system är lämpat för installation i slutna rum, speciellt i undervattensfarkoster.

Litium-högenergicellen 1, bränslecellen 2, renings- cellen 8 och gasackumulatorn 16 för H2 motsvarar de i figur 1. För löpande försörjning av högenergicellen 1 står en litiumtank 18 och en H202-tank 19 till förfogande. Det i reningscellen från gasblandningen avskilda överskottssyret blåses inte bort utan förs tillbaka till bränslecellen 2 över 02-ackumulatorn 20. I samma ackumulator kan allt efter ford- ringarna för driften från H2O2-sönderdelaron 21 stammande 02 eller över karbonatfiltret 22 utifrân inhämtad luft upp- samlas. Gasackumulatorn 16 för H2 är lämpligen en hydrid- 'ackumu1ator. 8002572-9 Det slutna energialstringssystemet fullständigas genom regleringsinstrument 23, 24, 25 och ventiler 26, 27 och en motor 28 som förbrukare.

En anmärkningsvärd egenskap-hos detta system ligger i att Li-cellen kan drivas alternativt med hög effekt eller - vid lägre behov - med måttlig effekt. Ventilen 26 tillåter nämligen en så långtgående drossling av H2O2-tillförseln från tanken 19 att litiumcellen 1 praktiskt taget är tvungen att arbeta med rent vatten som katoddepolarisator (H20-drift).

-Den arbetar emellertid likväl vidare om än med reducerad effekt och en med ca 0,8 V minskad spänning i förhållande till full Hzoz-arlft. ' ' Vid H20-driften består den i litiumcellen 1 utveckla- de gasen enligt formeln 4 uteslutande av H2 så att O2-rening- en kan bortfalla. I stället träder ackumulatorn 20 helt i funktion som 02-leverantör för bränslecellen 2. Samtidigt möjliggör det ökade H2-utbudet från litiumcellen en återupp- fyllning av hydridackumulatorn 16.

En minskning av HZOZ-inmatningen i litiumcellen 1 leder på grund av den därmed förbundna sänkningen av O2-kon- centrationen i gasblandningen även till en försvagning av gränsströmmen i reningscellen. Ändringen i gränsströmmen låter sig därför utnyttjas som reglerstorhet för H2O2-inmatnings- ventilen 26, varvid denna öppnar sig kraftigare i den ut- sträckning som gränsströmmen minskar i brist på 02-utbud.

POOR QUALITY .-.........,,.......__..._...- - ..........V _..- _ . ....._..._~._..___.«._........._. ___...

Claims (8)

1. 8002572-9 10 15 20 25 30 35 P A T E N T K R A V J. Förfarande vid drivning av en vätgas-syrgas-bränslecell, varvid en blandning av vätgas och syrgas tillföres gaskammaren vid bränslecellens positiva elektrod, så att huvuddelen av syrgasen förbrukas vid denna, varvid blandningen av vätgas och den kvarvarande syrgasen befrias från den senare och den kvarvarande vätgasen tillföres gaskammaren vid bränslecellens negativa elektrod, så att vätgasen förbrukas vid den senare, varvid vätgasen och syrgasen förbrukas i det mot vattnets stökiometri svarande förhållandet i bränslecellen, k ä n - n e t e c_k n a t av att blandningen av vätgas ocn syrgas erhålles vid drivning av en vattenhaltig galvanisk högenergi- cell med elektroder av litium, aluminium eller en Li/Al-lege- ring och HZO2 och/eller H20 som katodpolarisator, varvid för det fall att högenergicellen i fråga om drivning med H202 som depolarisator avger en blandning av vätgas och syrgas med ett överskott av syrgas i förhållande till vattnets stökiometri, detta överskott avlägsnas från blandningen eller eventuellt kompenseras genom tillförsel av vätgas från en källa utanför högenergicellen eller varvid för det fall, att högenergicel- len arbetar med en genom ersättning med vatten strypt till- försel av H2O2, så att högenergicellen avger en gasblandning med ett underskott av syrgas i förhållande till vattnets stö- kiometri, denna syrgas kompenseras genom tillförsel av syrgas från en källa utanför högenergicellen så att mot den till gas- kammaren vid den negativa elektroden förda vätgasen svarar åtminstone en vid elektroden i den positiva kammaren tillgäng- lig, mot vattnets stökiometri svarande mängd syrgas.
2. 2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att överskottet av syrgas som blir kvar i den gasblandning, som lämnar gaskammaren vid bränslecellens positiva elektrod, av- lägsnas med hjälp av en som reningscell arbetande 02/02-cell_ (8)-
3. 3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a tu av, att den gränsström, som svarar mot rcstlös förbrukning av 10 15 20 25 30 8002572-9 syrgas i reningscellen (8), uppmätes kontinuerligt och att det uppmätta värdet tjänar som regleringsstorhet för tillförsel av H2O2 till högenergicellen (1).
4. 4. Anläggning för framställning av elektrisk energi med hjälp av en vätgas-syrgas-bränslecell (2), som har en gaskammare (3) vid den positiva elektroden (4) för tillförsel av syrgas till denna och en gaskammare.(5) vid den negativa elektroden (6) för tillförsel av vätgas till denna, k ä n n e t e c k ~ n a d av, att den därutöver har en galvanisk högenergicell (1) med elektroder av litium, aluminium eller emLi/Alfflegering och med väteperoxid som katodpolarisator, varvid cellen avger en bland~ ning av syrgas och vätgas med ett överskott av syrgas i för- hållande till vattnets stökiometri och en första gasledning för att leda blandningen av syrgas och vätgas till gaskammaren (3) vid den positiva elektroden (4) i bränslecellen (2), en andra gasledning för att leda en blandning av vätgas och i bränslecellen (2) icke förbrukad syrgas till en reningscell (8) för avskiljning av syrgaserr; .och-en tredje gasledning för att leda ren vätgas till gaskammaren (5) vid den negativa elektro- den (6) i bränslecellen (2).
5. 5. Anläggning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att reningscellen (8) är en cell, som arbetar enligt principen för en 02/02-gaskedja.
6. 6. Anläggning enligt krav 5,. k ä n n e t e c k n a d av att den omfattar en doseringsventil (26) för tillförsel av väteperoxid till högenergicellen (1) och.att denna doserings- ventil (26) är anordnad att regleras av en gränsström i reningscellen (8), vid vilken den till cellen (8) förda gas- blandningens innehåll av syrgas förbrukas restlöst.
7. 7. Anläggning enligt krav 4 - 6, k ä n n e t e c k n a d av en gasackumulator (16) för vätgas från vilken går en gasled- ning, som mynnar i den tredje gasledningen för tillförsel av vätgas till bränslecellen (2) för att kompensera ett överskott av syrgas i förhållande till vattnets stökiometri{ soo2s72-9 ' fo
8. 8. Anläggning enligt krav 4 - 7, k ä n n e t e c k n a d av ett förråd (20) för syrgas, från vilken går en gasledning för tillförsel av syrgas till bränslecellen (2), då högenergicellen (1) avger en gasblandning med ett underskøtt av syrgas i för» 5 hållande till vattnets stökiometri. i}~~~+~-4-W«»~ L »wíggefiggumsgïï