WO2020249674A1 - Trennelement - Google Patents

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WO2020249674A1
WO2020249674A1 PCT/EP2020/066204 EP2020066204W WO2020249674A1 WO 2020249674 A1 WO2020249674 A1 WO 2020249674A1 EP 2020066204 W EP2020066204 W EP 2020066204W WO 2020249674 A1 WO2020249674 A1 WO 2020249674A1
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separating
reactor cell
separating element
sodium
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Ulrich Georg BECH
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Bech Ulrich Georg
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a separating element for separating a cathode compartment from an anode compartment of a reactor cell according to the preamble of claim 1 and a method for producing electrical current according to the preamble of claim 22.
  • DE 10 2012 022029 A1 describes a method in which the electricity generated is preferably used at the location where electricity is generated (location A) for the electrolytic generation of metals, for example sodium.
  • the sodium produced can be transported in solid or liquid form (liquid suspension).
  • the metal is produced in standardized containers.
  • the sodium generated is brought to the location of an electrical consumer (location B).
  • location B the metal (sodium) is converted into electrical energy by means of an energy converter.
  • the energy converter can be a fuel cell.
  • the choice of a membrane that is necessary for power generation and which is ion-selective is problematic.
  • KR 2016 0113437 A discloses a method for coating the surface of a porous body.
  • a coating solution containing a coating powder is sprayed on.
  • the coating has improved adhesion and density to the porous body.
  • a uniform coating can also be produced on surfaces with complex shapes.
  • the coating produced has a small usable surface and is therefore unsuitable for an ion-selective membrane.
  • the separating material is ion-selective and in particular permeable to Na + ions, whereas the separating material represents a barrier in particular for liquid metallic sodium, OH clays and ion complexes.
  • This ion selectivity is of particular importance for the function of a reactor cell for the production of electrical power, because only if only the cations relevant for power generation can pass the separating element, electrical current or electron flow can be generated between cathode and anode.
  • the invention is also preferably characterized in that the separating material is a borane compound, in particular Na 2 B oH o, or is a mixture of borane compounds. Tests have shown that such borane compounds are particularly suitable as separating materials, since they reliably only allow Na + ions to pass through the separating element, while retaining the remaining ions and ion complexes.
  • Other ion-selective separating elements or membrane materials are also conceivable, for example fast sodium ion conductors (sodium super ion conductors, NASICON).
  • the channels are partially open from one surface to another surface of the carrier element and partially end in front of an upper surface of the carrier element. If continuous channels are blocked, the separating element can be reactivated very easily by grinding the surfaces. As a result, channels which end in front of the surface of the separating element are opened. The opened channels are then to be mixed with separating material until they are filled with it. These opened channels can then be passed by the Na + ions. A clogged separating element can be reactivated or reprocessed by opening the channel ends.
  • the separating material is expediently sintered onto the inner pore surface. Sintering is a mature process for the rapid production of particularly permanent shapes and connections in ceramics.
  • the carrier element has the shape of a tube.
  • the cylinder jacket of the tube offers a particularly large surface area between the cathode compartment and the anode compartment of a reactor cell.
  • a pipe can be flowed through inside and outside, so that the electrolyte in the cathode compartment and the liquid sodium in the anode compartment can be kept in circulation very easily.
  • the pore channels are completely filled with separating material.
  • the pores or the pore channels are tightly filled with release agent and a reliable ion-selective effect is created.
  • Another aspect of the invention relates to a reactor cell comprising a cathode compartment with a cathode, an anode compartment with an anode and a separating element according to the above description. Due to its ion-selective properties, the separating element proves to be ideal for use in a reactor cell for the production of electrical current. However, it is also conceivable to use the separating element for other purposes, for example in medicine or biotechnology.
  • the anode compartment is expediently provided inside the tubular separating element and the cathode compartment is seen outside the tubular separating element.
  • the anode chamber in the reactor cell can be operated continuously through a first circuit and the cathode chamber can be operated continuously with an electrolyte through a second circuit.
  • the cathode compartment space is provided inside the tubular separating element and the anode compartment is provided outside the tubular separating element.
  • a first tube is arranged within the tubular separating element, in which liquid sodium can rise on the inside of the first tube and an overflow is provided at the upper open end of the first tube.
  • a heatable tank is preferably integrated into the sodium circuit. This allows the solidified sodium to melt quickly to start the cycle.
  • the tubular separating element is expediently arranged within a second tube, whereby a tube bundle is formed.
  • the tube bundle can also be referred to as a tube package, which forms a quickly exchangeable unit.
  • An anode circuit and a cathode circuit can flow through the tube bundle.
  • the second tube is designed to increase the surface wellenför mig and ribs and beads are formed on its inside.
  • the largest possible surface increases the efficiency of a reactor cell in which the separating element is installed.
  • the service life of the second tube which is preferably made of a metal, is extended by the enlarged surface on the inside, since the inside is less quickly contaminated with electrolyte.
  • the second pipe leaves exchange each other separately if its contaminated inside impairs the cathode function.
  • the tube bundle is arranged on a tube sheet. This allows both circuits to be fed through the tube sheet. Furthermore, a plurality of tube bundles can be arranged in a stable and removable manner on the tube sheet.
  • the invention is also preferably characterized in that the tube sheet is a double tube sheet with a first and second spatially separated tube sheet element, wherein the first tube sheet element is connected to the first tube so that fluid can flow through it and the second tube sheet element is fluidly connected to the second tube - Is connected through flow.
  • the anode circuit and the cathode circuit can therefore both have their inputs and outputs in the tube sheet. This allows the tube bundles to be easily installed on and removed from the tube sheet.
  • the tube bundle can be dismantled from the tube sheet for maintenance purposes. As a result, a tube bundle which is blocked, for example, can be quickly exchanged for a new tube bundle. Also, as described above, channels of the separating element can be opened and the thus reactivated tube bundle can be reinstalled.
  • the second tube is closed at its upper end by a first cap, is closed at its lower end by a second cap and the upper end of the tubular carrier element is closed by a third cap, with the caps are made of polyetheretherketone (PEEK) given before.
  • PEEK is an extremely temperature-resistant plastic which, in the form of a cap, can reliably seal the pipe ends.
  • a passage for the first tube is expediently provided on the second cap.
  • the second tube can be connected to the first tube sheet element and detached from it if necessary.
  • Another aspect of the invention relates to a reactor cell block with a plurality of reactor cells as described above, a plurality of reactor cells being arranged within a pressure-tight container. This enables an operationally reliable, encapsulated, heatable and coolable reactor cell block to be implemented.
  • the cavity formed between the pressure-tight container and the plurality of reactor cells can be acted upon by a regulating fluid for regulating the temperature of the reactor cell.
  • the reactor cell block can therefore be centrally temperature regulated with a single fluid.
  • the plurality of reactor cells is arranged on an electrically insulated support base which is part of the pressure-tight container. As a result, the reactor cell block is hermetically sealed off from the environment.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing electrical current in which a reactor cell is operated as described above, the electrochemical potential being released in the reactor cell by metal cations, in particular sodium cations, passing through the separating element from the anode compartment diffuse into the cathode compartment and an aqueous alkali is enriched as electrolyte in the cathode compartment with the metal cations.
  • metal cations in particular sodium cations
  • aqueous alkali is enriched as electrolyte in the cathode compartment with the metal cations.
  • alcohol and / or salts can also be present in the electrolyte.
  • the reactor cell enables ion-selective passage of the metal cation through the separating element. Only then does the process become functional.
  • the process can be precisely regulated by process-controlled a first liquid, preferably liquid sodium, which flows through the anode compartment and a second liquid, in particular an aqueous base as electrolyte, which flows through the cathode compartment, and thereby their concentrations and pressures , Temperatures and other process parameters can be set separately.
  • the cycle of the process can preferably be closed in that the electrolyte enriched with NaOH lye is made anhydrous again from the reactor cell by boiling and the anhydrous sodium hydroxide solution after calcination is added to another reactor cell positioned at any location, with one being applied Direct current metallic sodium is generated, whereby the sodium is led in a cycle.
  • the metallic sodium can therefore be produced at a location where electrical direct current, for example from solar systems, is available.
  • the solidified sodium can be transported safely and quickly to a place where electrical power is required.
  • the solidified sodium can also be Sonder simply etween store is required until the electric current.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing the separating element described above, the separating material being ultrasonically comminuted to a pre-defined grain size distribution before the separating material is introduced into the pores.
  • the use of ultrasound makes it possible to obtain a clean separating material in the required grain size distribution.
  • Mechanical crushing for example in a ball mill, inevitably leads to contamination, since the mechanical crushing elements, for example the balls of a ball mill, wear out during the crushing. In order to function as a release agent, however, it must not contain any foreign particles.
  • the separating material is expediently set after being crushed with surfactants before it is introduced into the pores. This prevents agglomeration of the release agent.
  • the separating material is introduced into the pores in several layers until the pores are filled with separating material, whereby the pores represent an ion-selective barrier.
  • the pores must be filled with separating material. Otherwise undesired ions would also pass through the separating element.
  • FIG. 1 a sectional illustration through a separating element for separating a cathode compartment from an anode compartment of a reactor cell with an enlarged view of the pores of the separating element;
  • FIG. 2 a sectional view of a reactor cell in which a separating element is received
  • Figure 3 a plan view of a reactor cell block, which comprises three reactor cells and
  • FIG. 4 an axonometric view of the reactor cell block from FIG. 3.
  • a separating element which is designated as a whole by the reference symbol 11.
  • the separating element 11 which can also be referred to as a membrane, consists of a ceramic material and comprises a carrier element 12.
  • the separating element preferably has the shape of a tube.
  • the separating element 11 therefore has an outer wall 13 and an inner wall 15.
  • Pores 17, which are designed as channels, are provided in the ceramic material.
  • the pores 17 or the pore channels are mostly open and therefore connect the outer wall 13 to the inner wall 15.
  • the channels 17 therefore have entrances 19 on the inner wall 13 and exits 21 on the outer wall 13. Sometimes the pores 17 also end in the ceramic's Material as blind end 23.
  • the inner surfaces of the pores 17 of the carrier element 12 are coated with a separating material.
  • the separating material is applied to the inner surface of the pores 17, whereby the channels are lined with separating material.
  • the separating material is brought into the pores 17 so that the inner surface is lined with separating material.
  • the separating material is preferably in the form of a suspension.
  • Trennma material are applied by repeatedly pressing in and sintering release material until the pores 17 are closed with release material.
  • These channels 17 filled with separating material are ion-selectively permeable, in particular they can only be passed through for Na ions.
  • the present separating element 11 is preferably used to generate electricity from metallic sodium in a reactor cell.
  • the separating material must be a substance that is permeable to sodium ions. During the reactions taking place in the reactor cell, however, any liquid, metallic sodium, OH ions and ion complexes that are present must be retained on the separating material. Borane compounds, in particular NaaB uH m, or a mixture of borane compounds have proven to be a separating material which meets these requirements particularly well.
  • the separating material is sintered several times onto the inner surface of the pores 17 so that the introduced separating material forms a firm connection with the inner surface of the pores.
  • the structure of a reactor cell 25 is shown in FIG.
  • the reactor cell 25 comprises the separating element 11 described above in the form of a tube.
  • a first inner tube 27 is arranged within the separating element 11.
  • the tubular separating element 11 is arranged inside a second outer tube 29.
  • the anode space 31 of the reactor cell 25 is formed within the separating element 11.
  • the liquid sodium forms the anode.
  • the cathode space 33 of the reactor cell 25 is formed between the outer wall 13 and the inside of the second tube 29.
  • the second tube 29 is wave-shaped to enlarge the surface and ribs and beads are formed on its inside.
  • the service life of the second tube 29, which is preferably made of a metal, is extended by the enlarged surface of its inside, since the inside is less quickly contaminated with electrolyte.
  • the second tube is closed at its upper end by a first cap 45 and at its lower end by a second cap 47, the tubular separating element 11 is closed by a second cap 47.
  • the second cap 47 has a second passage 49 from which the first tube 27 protrudes. This allows the lower end of the first tube 27 to be connected to the first tube sheet element 37.
  • a third cap 51 serves to close the upper end of the carrier element 12.
  • the caps 45, 47, 51 are preferably made of polyetheretherketone (PEEK), since this plastic is resistant to high temperatures and is resistant to many chemicals.
  • the liquid sodium enters the reactor cell 25 through the first lower tube sheet element 37 and flows from below into the first tube 27.
  • the first tube 27 acts as a riser tube and therefore has an overflow 34 for the liquid sodium. After the sodium has left the upper end of the first tube, it flows down between the first tube 27 and the inner wall 15. Due to its ion-selective property, the separating element 11 can only be passed by nations that can enter the cathode chamber 33 to generate electricity. In order to be able to realize a circulation of liquid sodium, the first passages 43 are provided.
  • the reactor cell 25 is filled with liquid sodium. In the cathode space 33 of the reactor cell 25 there is also an aqueous sodium hydroxide solution as the electrolyte.
  • the liquid sodium must be kept away from the caustic soda so that the electrical potential can arise.
  • the liquid sodium therefore only flows through the interior of the separating element 11, which allows the diffusion of sodium ions into the sodium hydroxide solution as an electrolyte, but not the diffusion of metallic sodium.
  • the separating element 11 also prevents water from the lye from penetrating into the anode space 31 in which the sodium is located.
  • the sodium ions arise in the separating element 11 or the membrane and diffuse through it.
  • the sodium ions displace the H + cations and react at the cathode, producing hydrogen.
  • the OH anions form NaOH with the Na + cations that have penetrated into the cathode space 33.
  • an electrical direct current and / or hydrogen is generated.
  • the electrochemical reaction can be controlled via a control fluid, which the Surrounds reactor cell 25 and is described in more detail below.
  • the liquid sodium within the separating element 11 can be pressurized in order to improve the diffusion of the sodium ions. It is possible to generate the pressure in the separating element 25 by blowing an inert gas in above the sodium level.
  • the electrolyte and sodium can each be circulated with a circulation pump.
  • the electrolyte enriched with sodium from the reactor cell 25 is made anhydrous again by boiling.
  • the sodium hydroxide solution which is anhydrous after the calcination, is fed into a further reactor cell, with metallic sodium being generated with the application of a direct current preferably generated from solar energy or wind energy. This closes the cycle.
  • Metallic transportable sodium can be generated at optimal locations, for example directly at the locations of the solar or wind turbine fields. Thanks to the safe and easy way of transporting solid sodium, electricity can be generated right where it is needed.
  • a reactor cell block with three reactor cells 25 is shown by way of example.
  • the reactor cells 25 are arranged within a pressure-tight container.
  • a cavity is formed between the pressure-tight container and the three reactor cells.
  • the above-mentioned control fluid for regulating the temperature of the Re actuator cell 25 is applied to the cavity.
  • the flow through the anode space 31 with liquid sodium and the flow through the cathode space 33 with electrolyte takes place in two separate circuits. This allows the concentrations, pressures, temperatures and other process parameters of the electrolyte and the liquid sodium to be set separately from one another. This allows the course of the electrochemical reaction to be precisely regulated.
  • Part of the pressure-resistant container is an insulated base 55, on which the reactor cells are arranged in a stable and isolated manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trennelement (11) zur Trennung eines Kathodenraumes (33) von einem Anodenraum (31) einer Reaktorzelle (25) umfassend ein Trägerelement (12) und ein auf das Trägerelement aufgebrachtes Trennmaterial. Das Trägerelement (12) ist aus einem keramischen Werkstoff mit als Kanälen (17) ausgeführten Poren aufgebaut. Das Trennmaterial ist auf die Innenoberfläche der Poren aufgebracht, indem das Trennmaterial in die Poren eingebracht ist.

Description

Trennelement
Gebiet der Erfindune
Die Erfindung betrifft ein Trennelement zur Trennung eines Kathodenraumes von ei nem Anodenraum einer Reaktorzelle gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Ver fahren zur Herstellung von elektrischem Strom gemäss Oberbegriff des Anspruchs 22.
Stand der Technik
In der DE 10 2012 022029 Al ist ein Verfahren beschrieben bei dem erzeugter Strom bevorzugt am Ort der Stromgewinnung (Ort A) zur elektrolytischen Erzeugung von Metallen, beispielsweise von Natrium verwendet wird. Der Transport des erzeugten Natriums kann in fester oder flüssiger Form (Flüssigkeitssuspension) erfolgen. Die Herstellung des Metalls erfolgt in standardisierten Containern. Das erzeugte Natrium wird an den Ort eines elektrischen Verbrauchers (Ort B) gebracht. Am Ort B erfolgt mittels eines Energiewandlers eine Wandlung des Metalls (Natrium) in elektrische Energie. Der Energiewandler kann eine Brennstoffzelle sein. Als problemaüsch stellt sich die Auswahl einer bei der Stromerzeugung notwendigen Membran dar, welche ionenselektiv ist.
In der KR 2016 0113437 A ist ein Verfahren offenbart, um die Oberfläche eines porösen Körpers zu beschichten. Dabei wird eine Beschichtungslösung beinhaltend ein Beschichtungspulver aufgesprüht. Die Beschichtung besitzt eine verbesserte Haftung und Dichte an dem porösen Körper. Auch auf Oberflächen mit komplizierten Formen lässt sich eine gleichmässige Beschichtung erzeugen. Die erzeugte Beschichtung besitzt jedoch eine geringe nutzbare Oberfläche und ist daher für eine ionenselektive Membran ungeeignet.
Aufeabe der Erfindune
Aus den Nachteilen des beschriebenen Stands der Technik resultiert die Aufgabe eine Membran zu schaffen, die eine ionenselektive Trennung von Anoden- und Kathoden raum einer Reaktorzelle erlaubt, wobei lediglich die Na+ Ionen die Membran passieren können. Ein weiteres Ziel ist es eine Membran vorzuschlagen, welche während des Betriebes der Reaktorzelle möglichst rissfrei bleibt.
Beschreibune
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Trennelement zur Trennung eines Kathodenraumes von einem Anodenraum einer Reaktorzelle durch die im kennzeich nenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale. Weiterbildungen und/ oder vorteilhafte Ausführungs Varianten sind Gegenstand der abhängigen Pa tentansprüche.
Die Erfindung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass das Trägerelement aus einem keramischen Werkstoff mit als Kanälen aus geführten Poren aufgebaut ist und das Trennmaterial auf die Innenoberfläche der Porenkanäle aufgebracht ist, indem das Trennmaterial in die Porenkanäle eingebracht ist. Durch mehrfaches Einpressen und Sintern werden die Poren mit Trennmaterial gefüllt. Dadurch lässt sich eine möglichst grosse Oberfläche an Trennmaterial erzeugen und der Durchgang durch die Poren ist nur für bestimmte Ionen möglich. Die Poren besitzen daher einen ionenselektiven Durchgang.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Trennmaterial ionenselektiv und insbesondere für Na+ Ionen durchlässig, wohingegen das Trennmate rial insbesondere für flüssiges metallisches Natrium, OHTonen und Ionen Komplexe eine Barriere darstellt. Diese Ionenselektivität ist von besonderer Bedeutung für die Funktion einer Reaktorzelle zur Herstellung von elektrischem Strom, denn nur wenn ausschliesslich die für die Stromerzeugung relevanten Kationen das Trennelement pas sieren können, kann elektrischer Strom bzw. Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode erzeugt werden.
Die Erfindung zeichnet sich auch bevorzugt dadurch aus, dass das Trennmaterial eine Boranverbindung, insbesondere Na2B oH o, ist bzw. eine Mischung von Boranverbindun- gen ist. Versuch haben ergeben, dass sich solche Boranverbindungen besonders gut als Trennmaterial eignen, da diese zuverlässig nur Na+ Ionen das Trennelement passieren lassen, hingegen die übrigen anwesenden Ionen und Ionenkomplexe zurückhalten. Denkbar sind auch andere ionenselektive Trennelemente bzw. Membranstoffe beispiels weise schnelle Natrium-Ionenleiter (sodium super ion conductors, NASICON).
Als zweckdienlich hat es sich erwiesen, wenn die Kanäle teilweise von einer Oberfläche zu einer anderen Oberfläche des Trägerelements offen sind und teilweise vor einer Ober fläche des Trägerelements enden. Falls durchgehende Kanäle verstopft sind, so lässt sich das Trennelement sehr einfach reaktivieren, indem die Oberflächen abgeschliffen wer den. Dadurch werden Kanäle, welche vor der Oberfläche des Trennelements enden, ge öffnet. Die geöffneten Kanäle sind dann mit Trennmaterial zu versetzen, bis sie damit gefüllt sind. Diese geöffneten Kanäle sind dann von den Na+ Ionen passierbar. Durch das Öffnen der Kanalenden lässt sich ein verstopftes Trennelement reaktivieren bzw. wiederaufbereiten.
Zweckmässigerweise ist das Trennmaterial auf die Innenporenoberfläche aufgesintert. Das Sintern ist ein ausgereifter Vorgang zur raschen Herstellung besonders dauerhafter Formen und Verbindungen in der Keramik.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitz das Trägerele- ment die Gestalt eines Rohres. Der Zylindermantel des Rohres bietet eine besonders grosse Oberfläche zwischen dem Kathodenraum und dem Anodenraum einer Reaktor zelle. Zudem ist ein Rohr innen und aussen durchströmbar, wodurch der Elektrolyt im Kathodenraum und das flüssige Natrium im Anodenraum sehr einfach in Zirkulation gehalten werden kann.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Po renkanäle mit Trennmaterial vollständig gefüllt. Dadurch sind die Poren bzw. die Po renkanäle dicht mit Trennmittel gefüllt und es entsteht eine zuverlässige ionenselektive Wirkung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Reaktorzelle umfassend einen Katho denraum mit einer Kathode, einen Anodenraum mit einer Anode und ein Trennelement gemäss der obigen Beschreibung. Das Trennelement erweist sich durch seine ionense lektiven Eigenschaften als geradezu ideal für den Einsatz in einer Reaktorzelle zur Her stellung von elektrischem Strom. Denkbar ist es jedoch auch das Trennelement für an dere Einsatzzwecke, beispielsweise in der Medizin oder der Biotechnologie, einzuset- zen. Zweckmässigerweise ist innerhalb des rohrförmigen Trennelements der Anodenraum vorgesehen und ausserhalb des rohrförmigen Trennelements ist der Kathodenraum vor gesehen. Dadurch kann in der Reaktorzelle durch einen ersten Kreislauf der Anoden raum kontinuierlich betrieben werden und durch einen zweiten Kreislauf kann der Ka thodenraum mit einem Elektrolyten kontinuierlich betrieben werden. Denkbar ist es auch, dass innerhalb des rohrförmigen Trennelements der Kathodenraumraum vorge sehen und ausserhalb des rohrförmigen Trennelements der Anodenraum vorgesehen ist. Durch das Vorsehen des zweiten Kreislaufes lässt sich die Konzentration des Elekt rolyten rasch auf einen Sollwert einstellen bzw. ändern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist innerhalb des rohrförmigen Trenn elements ein erstes Rohr angeordnet, in welchem flüssiges Natrium an der Innenseite des ersten Rohres aufsteigen kann und an dem oberen offenen Ende des ersten Rohres ist ein Überlauf vorgesehen. Dadurch kann das flüssige Natrium in einem Kreislauf ge führt werden. In den Natrium-Kreislauf ist bevorzugt ein heizbarer Tank integriert. Dadurch lässt sich das erstarrte Natrium rasch schmelzen, um den Kreislauf starten zu können.
Zweckmässigerweise ist das rohrförmige Trennelement innerhalb eines zweiten Rohres angeordnet, wodurch ein Rohrbündel gebildet ist. Das Rohrbündel kann auch als ein Rohrpaket bezeichnet werden, welches eine rasch austauschbare Einheit bildet. Das Rohrbündel ist von einem Anodenkreislauf und einem Kathodenkreislauf durchström- bar.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn innerhalb des Trennelements der Anodenraum vor gesehen ist und zwischen der Aussenwand des Trennelements und der Innenseite des zweiten Rohres der Kathodenraum vorgesehen ist. Dadurch lassen sich die beiden im letzten Absatz beschriebenen Kreisläufe in dem Rohrbündel realisieren.
Zweckmässigerweise ist das zweite Rohr zur Vergrösserung der Oberfläche wellenför mig ausgebildet und an seiner Innenseite sind Rippen und Sicken ausgebildet. Die mög lichst grosse Oberfläche steigert den Wirkungsgrad einer Reaktorzelle in der das Trenn element verbaut ist. Die Lebensdauer des zweiten Rohres, welches bevorzugt aus einem Metall hergestellt ist, wird durch die vergrösserte Oberfläche der Innenseite verlängert, da die Innenseite weniger schnell mit Elektrolyt verunreinigt wird. Das zweite Rohr lässt sich separat austauschen, wenn dessen verunreinigte Innenseite die Kathodenfunktion beeinträchtigt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Rohr bündel auf einem Rohrboden angeordnet. Dadurch lassen sich die beiden Kreisläufe durch den Rohrboden beschicken. Ferner lassen sich eine Mehrzahl von Rohrbündeln stabil und abnehmbar auf dem Rohrboden anordnen.
Die Erfindung zeichnet sich auch bevorzugt dadurch aus, dass der Rohrboden ein dop pelter Rohrboden mit einem ersten und zweiten räumlich voneinander getrennten Rohr bodenelement ist, wobei das erste Rohrbodenelement mit dem ersten Rohr fluiddurch- strömbar verbunden ist und der zweite Rohrbodenelement mit dem zweiten Rohr fluid- durchströmbar verbunden ist. Der Anodenkreislauf und der Kathodenkreislauf können daher beide ihre Ein- und Ausgänge in dem Rohrboden haben. Dadurch lassen sich die Rohrbündel einfach an dem Rohrboden installieren und von diesem entfernen.
Als zweckdienlich erweist es sich, wenn das Rohrbündel für Wartungszwecke von dem Rohrboden demontierbar ist. Dadurch kann ein Rohrbündel, welches beispielsweise verstopft ist, rasch gegen ein neues Rohrbündel ausgetauscht werden. Auch können, wie weiter oben beschrieben, Kanäle des Trennelements geöffnet werden und das so reakti vierte Rohrbündel wieder eingebaut werden.
Damit sich der Anodenkreislauf und der Kathodenkreislauf realisieren lassen, ist das zweite Rohr an seinem oberen Ende von einer ersten Kappe verschlossen, ist an seinem unteren Ende von einer zweiten Kappe verschlossen und das obere Ende des rohrförmi gen Trägerelements ist von einer dritten Kappe verschlossen, wobei die Kappen bevor zugt aus Polyetheretherketon (PEEK) hergestellt sind. PEEK ist ein äusserst temperatur beständiger Kunststoff, welcher in Kappenform die Rohrenden zuverlässig verschlies- sen kann.
Zweckmässigerweise ist an der zweiten Kappe ein Durchlass für das erste Rohr vorge sehen. Dadurch lässt sich das zweite Rohr mit dem ersten Rohrbodenelement verbinden und von diesem bei Bedarf lösen. Noch ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Reaktorzellen-Block mit einer Mehrzahl von Reaktorzellen gemäss obenstehender Beschreibung, wobei eine Mehrzahl von Re aktorzellen innerhalb eines druckfesten Behälters angeordnet ist. Dadurch lässt sich ein betriebssicherer abgekapselter, heiz- und kühlbarer Reaktorzellen-Block realisieren.
In einer weiteren bevorzugten ausführungsform der Erfindung ist der zwischen dem druckfesten Behälter und der Mehrzahl von Reaktorzellen gebildete Hohlraum von ei nem Regel-Fluid zur Temperaturregelung der Reaktorzelle beaufschlagbar. Der Reak torzellen-Block lässt sich daher zentral mit einem einzigen Fluid temperaturregulieren.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Mehrzahl von Reaktorzellen auf einem elektrisch isolierten Tragboden angeordnet ist, welcher Teil des druckfesten Behälters ist. Dadurch ist der Reaktorzellen-Block hermetisch gegenüber der Umgebung abgekap selt.
Noch ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischem Strom, bei welchem eine Reaktorzelle gemäss obenstehender Beschreibung betrieben wird, wobei in der Reaktorzelle das elektrochemische Potential freigesetzt wird, indem Metall-Kationen, insbesondere Natrium-Kationen, durch das Trennelement von dem Anodenraum in den Kathodenraum diffundieren und eine wässrige Lauge als Elektrolyt in dem Kathodenraum mit den Metall-Kationen angereichert wird. Zusätzlich zu der wässrigen Lösung können in dem Elektrolyten auch Alkohol und/ oder Salze vorhanden sein. Die Reaktorzelle ermöglicht den ionenselektiven Durchgang des Metall-Kations durch das Trennelement. Erst dadurch wird das Verfahren funktionsfähig.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn bei der elektrochemischen Reaktion in der Reaktor zelle ein elektrischer Gleichstrom und/ oder Wasserstoff entsteht, wobei an der Kathode Wasserstoff gebildet wird, während die Konzentration an Natrium-Ionen steigt. Durch eine Druckregelung in dem Kathodenraum lässt sich die elektrochemische Reaküon zu sätzlich steuern.
Das Verfahren lässt sich genau regeln, indem eine erste Flüssigkeit, bevorzugt flüssiges Natrium, welche den Anodenraum durchströmt und eine zweite Flüssigkeit, insbeson dere eine wässrige Lauge als Elektrolyt, welche den Kathodenraum durchströmt, in se paraten Umläufen prozessgesteuert werden und dadurch ihre Konzentrationen, Drücke, Temperaturen und andere Prozessparameter voneinander getrennt eingestellt werden. Der Kreislauf des Verfahrens lässt sich bevorzugt schliessen, indem der mit NaOH- Lauge angereicherte Elektrolyt aus der Reaktorzelle durch Aufkochen wieder wasserfrei gemacht wird und die nach der Kalzinierung wasserfreie Natronlauge in einer weiteren an einem beliebigen Ort positionierten Reaktorzelle aufgegeben wird, wobei unter An legung eines Gleichstroms metallisches Natrium erzeugt wird, wodurch das Natrium in einem Kreislauf geführt wird. Das metallische Natrium lässt sich daher an einem Ort hersteilen, an dem elektrischer Gleichstrom, beispielsweise durch Solaranlagen, vorhan den ist. Das erstarrte Natrium lässt sich sicher und rasch zu einem Ort transportieren, an welchem elektrischer Strom benötigt wird. Das erstarrte Natrium lässt sich auch be sonders einfach Zwischenlagern, bis der elektrische Strom benötigt wird.
Noch ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des oben beschrie ben Trennelements, wobei das Trennmaterial mit Ultraschall zu eine vor definierten Korngrössenverteilung zerkleinert wird, bevor das Trennmaterial in die Poren einge bracht wird. Die Anwendung von Ultraschall ermöglicht, dass ein sauberes Trennmate rial in der benöügten Korngrössenverteilung erhältlich ist. Die mechanische Zerkleine rung, beispielsweise in einer Kugelmühle, führt zwangsläufig zu Verunreinigungen, da sich die mechanischen Zerkleinerungselemente, beispielsweise die Kugeln einer Kugel mühle, während der Zerkleinerung abnutzen. Für die Funktion als Trennmittel dürfen jedoch keine Fremdpartikel in diesem enthalten sein.
Zweckmässigerweise wird das Trennmaterial nach der Zerkleinerung mit Tensiden ver setzt, bevor es in die Poren eingebracht wird. Dadurch wird eine Agglomeration des Trennmittels verhindert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Trennmate rial in mehreren Schichten in die Poren eingebracht, bis die Poren mit Trennmaterial gefüllt sind, wodurch die Poren eine ionenselektive Barriere darstellen. Für die ionense lektiven Eigenschaften müssen die Poren mit Trennmaterial gefüllt sein. Ansonsten wür den auch nicht erwünschte Ionen das Trennelement passieren.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung ei nes Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung: Figur 1: eine Schnittdarstellung durch ein Trennelement zur Trennung eines Kathodenraumes von einem Anodenraum einer Reaktorzelle mit ei ner vergrösserten Ansicht der Poren des Trennelements;
Figur 2: eine Schnittdarstellung einer Reaktorzelle in welcher ein Trennele ment aufgenommen ist;
Figur 3: eine Draufsicht auf einen Reaktorzellen- Block, welcher drei Reaktor zellen umfasst und
Figur 4: eine axonometrische Ansicht des Reaktorzellen-Blocks aus Figur 3.
In den Figuren 1 bis 4 ist ein Trennelement gezeigt, welches gesamthaft mit dem Bezugs zeichen 11 bezeichnet ist. Das Trennelement 11, welches auch als Membran bezeichnet werden kann, besteht aus einem keramischen Material und umfasst ein Trägerelement 12. Bevorzugt besitzt das Trennelement die Form eines Rohres. Das Trennelement 11 besitzt daher eine Aussenwand 13 und eine Innenwand 15. In dem keramischen Material sind Poren 17 vorgesehen, welche als Kanäle ausgebildet sind. Die Poren 17 bzw. die Porenkanäle sind grösstenteils offen und verbinden daher die Aussenwand 13 mit der Innenwand 15. Die Kanäle 17 besitzen daher Eingänge 19 an der Innenwand 13 und Ausgänge 21 an der Aussenwand 13. Teilweise enden die Poren 17 auch in dem kerami schen Material als blindes Ende 23.
Damit das Trennelement 11 selektive Trenneigenschaften erhält, sind die Innenoberflä chen der Poren 17 des Trägerelements 12 mit einem Trennmaterial beschichtet. Das Trennmaterial ist auf die Innenoberfläche der Poren 17 aufgebracht, wodurch die Kanäle mit Trennmaterial ausgekleidet sind. Dazu wird das Trennmaterial in die Poren 17 ein gebracht, damit deren Innenoberfläche mit Trennmaterial ausgekleidet wird. Bevorzugt liegt das Trennmaterial als Suspension vor. Es werden mehrere Schichten von Trennma terial durch mehrfaches Einpressen und Sintern von Trennmaterial aufgetragen bis die Poren 17 mit Trennmaterial geschlossen sind. Diese mit Trennmaterial gefüllten Kanäle 17 sind ionenselektiv durchlässig, insbesondere sind sie ausschliesslich für Na-Ionen passierbar. Bevorzugt wird das vorliegende Trennelement 11 dazu eingesetzt, um aus metallischem Natrium in einer Reaktorzelle Strom zu erzeugen. Deshalb muss das Trennmaterial eine Substanz sein, welche für Natrium-Ionen durchlässig ist. Während der in der Reaktor zelle stattfindenden Reaktionen müssen anwesendes flüssiges, metallisches Natrium, OH-Ionen und Ionen-Komplexe hingegen an dem Trennmaterial zurückgehalten wer den. Als Trennmaterial, welches diese Anforderungen besonders gut erfüllt, haben sich Boranverbindungen, insbesondere NaaB uH m, bzw. eine Mischung von Boranverbindun- gen erwiesen. Das Trennmaterial ist auf die Innenoberfläche der Poren 17 mehrfach auf gesintert, damit das eingebrachte Trennmaterial eine feste Verbindung mit der Porenin- nenoberfläche bildet.
Der Aufbau einer Reaktorzelle 25 ist in der Figur 2 gezeigt. Die Reaktorzelle 25 umfasst das oben beschriebene Trennelement 11 in Gestalt eines Rohres. Innerhalb des Trennele ments 11 ist ein erstes inneres Rohr 27 angeordnet. Das rohrförmige Trennelement 11 ist innerhalb eines zweiten äusseren Rohres 29 angeordnet. Innerhalb des Trennelements 11 ist der Anodenraum 31 der Reaktorzelle 25 gebildet. Das flüssige Natrium bildet die Anode. Zwischen der Aussenwand 13 und der Innenseite des zweiten Rohres 29 ist der Kathodenraum 33 der Reaktorzelle 25 gebildet. Das zweite Rohr 29 ist zur Vergrösse- rung der Oberfläche wellenförmig ausgebildet und an seiner Innenseite sind Rippen und Sicken ausgebildet. Die Lebensdauer des zweiten Rohres 29, welches bevorzugt aus ei nem Metall hergestellt ist, wird durch die vergrösserte Oberfläche seiner Innenseite ver längert, da die Innenseite weniger schnell mit Elektrolyt verunreinigt wird.
Das ineinander gesteckte Rohrbündel 36 ist auf einem Rohrboden 35 befestigt. Der Rohr boden 35 umfasst ein erstes Rohrbodenelement 37 und ein zweites Rohrbodenelement 39, welche von einem Trennboden 41 voneinander getrennt sind. Das erste Rohr 27 ist mit dem ersten Rohrbodenelement 37 fluiddurchströmbar verbunden. Das zweite Rohr 29 ist mit dem zweiten Rohrbodenelement 39 fluiddurchströmbar verbunden. An dem ersten Rohr 27 sind in kurzem Abstand zum Rohrboden 35 erste Durchlässe 43 vorgese hen. Das Rohrbündel 36 lässt sich für Wartungszecke von dem Rohrboden 35 abnehmen und mit diesem wieder verbinden. Dadurch kann das Rohrbündel 36 nach einer Reini gung wiederverwendet werden.
Das zweite Rohr ist an seinem oberen Ende von einer ersten Kappe 45 verschlossen und an seinem unteren Ende von einer zweiten Kappe 47 das rohrförmige Trennelement 11 ist von einer zweiten Kappe 47 verschlossen. Die zweite Kappe 47 besitzt einen zweiten Durchlass 49, aus welchem das erste Rohr 27 ragt. Dadurch lässt sich das untere Ende des ersten Rohres 27 mit dem ersten Rohrbodenelement 37 verbinden. Eine dritte Kappe 51 dient dem Verschluss des oberen Endes des Trägerelements 12. Die Kappen 45,47,51 sind bevorzugt aus Polyetheretherketon (PEEK), da dieser Kunststoff hochtemperatur beständig und gegenüber vielen Chemikalien beständig ist.
Das flüssige Natrium tritt durch das erste untere Rohrbodenelement 37 in die Reaktor zelle 25 ein und fliesst von unten in das erste Rohr 27. Das erste Rohr 27 fungiert als Steigrohr und besitzt daher einen Überlauf 34 für das flüssige Natrium. Nachdem das Natrium das obere Ende des ersten Rohres verlassen hat, fliesst es zwischen dem ersten Rohr 27 und der Innenwand 15 nach unten. Das Trennelement 11 ist durch seine ionen selektive Eigenschaft nur für Nationen passierbar, welche in den Kathodenraum 33 zur Stromerzeugung eintreten können. Um einen Umlauf an flüssigem Natrium realisieren zu können, sind die ersten Durchlässe 43 vorgesehen. Die Reaktorzelle 25 wird mit flüs sigem Natrium befüllt. Im Kathodenraum 33 der Reaktorzelle 25 befindet sich auch eine wässrige Natronlauge als Elektrolyt. Das flüssige Natrium muss von der Natronlauge ferngehalten werden, damit das elektrische Potential entstehen kann. Das flüssige Nat rium durchströmt daher nur den Innenraum des Trennelements 11, welches die Diffu sion von Natrium-Ionen in die Natronlauge als Elektrolyten erlaubt, nicht jedoch die Diffusion von metallischem Natrium. Das Trennelement 11 verhindert zudem, dass Wasser aus der Lauge in den Anodenraum 31 eindringt, in welchem sich das Natrium befindet. Die Natrium-Ionen entstehen in dem Trennelement 11 bzw. der Membran und diffundieren durch diese. Die Natrium-Ionen verdrängen die H+-Kationen und reagie ren an der Kathode, wodurch Wasserstoff entsteht. Die OH- Anionen bilden mit den in den Kathodenraum 33 eingedrungenen Na+ Kationen NaOH.
Die durch das Trennelement 11 diffundierenden Na+ Ionen verdrängen die H+ Ionen, da Natrium gemäss der Spannungsreihe negativer ist als Wasserstoff. Dadurch wird das Gleichgewicht in obenstehender Reaktion auf die Produktseite verschoben.
Es entsteht bei der elektrochemischen Reaktion in der Reaktorzelle 25 ein elektrischer Gleichstrom und/ oder Wasserstoff. Durch die Wahl der Reaktionsparameter wie Tem peratur und Druck lässt sich einstellen, wie viel Gleichstrom und Wasserstoff entsteht. Die elektrochemische Reaktion kann über ein Regel-Fluid gesteuert werden, welches die Reaktorzelle 25 umgibt und weiter unten genauer beschrieben ist. In dem Anodenraum 31 kann das flüssige Natrium innerhalb des Trennelements 11 mit Druck beaufschlagt werden, um die Diffusion der Natrium Ionen zu verbessern. Möglich ist es den Druck in dem Trennelement 25 zu erzeugen, indem oberhalb des Natrium-Spiegels ein Inertgas eingeblasen wird. Eine Umwälzung des Elektrolyten und des Natriums kann jeweils mit einer Umlaufpumpe erfolgen. Der mit Natrium angereicherte Elektrolyt aus der Reak torzelle 25 wird durch Aufkochen wieder wasserfrei gemacht. Die nach der Kalzinierung wasserfreie Natronlauge wird in einer weiteren Reaktorzelle aufgegeben, wobei unter Anlegung eines bevorzugt aus Sonnenenergie oder Windenergie erzeugten Gleich stroms metallisches Natrium erzeugt wird. Dadurch schliesst sich der Kreislauf. Metal lisches transportfähiges Natrium lässt sich an dafür optimalen Standorten erzeugen, bei spielsweise direkt an den Standorten der Solar- oder Windturbinenfelder. Durch die si chere und einfache Möglichkeit festes Natrium zu transportieren, kann die Stromerzeu gung direkt am Ort des Bedarfes erfolgen.
In der Figur 4 ist beispielhaft ein Reaktorzellen-Block mit drei Reaktorzellen 25 gezeigt. Die Reaktorzellen 25 sind innerhalb eines druckfesten Behälters angeordnet. Zwischen dem druckfesten Behälter und den drei Reaktorzellen ist ein Hohlraum gebildet. Der Hohlraum wird mit dem oben erwähnten Regel-Fluid zur Temperaturregelung der Re aktorzelle 25 beaufschlagt. Die Durchströmung des Anodenraums 31 mit flüssigem Nat rium und die Durchströmung des Kathodenraumes 33 mit Elektrolyten erfolgt in zwei voneinander getrennten Kreisläufen. Dadurch können die Konzentrationen, Drücke, Temperaturen und andere Prozessparameter des Elektrolyten und des flüssigen Natri ums getrennt voneinander eingestellt werden. Damit lässt sich der Ablauf der elektro chemischen Reaktion genau regeln. Teil des druckfesten Behälters ist ein isolierter Tra geboden 55, auf dem die Reaktorzellen stabil und isoliert voneinander angeordnet sind. Leeende:
11 Trennelement
12 Trägerelement
13 Aussenwand
15 Innenwand
17 Poren, Porenkanäle
19 Eingänge
21 Ausgänge
23 Blindes Ende
25 Reaktorzelle
27 Erstes inneres Rohr
29 Zweites äusseres Rohr
31 Anodenraum
33 Kathodenraum
34 Überlauf
35 Rohrboden
36 Rohrbündel
37 Erstes Rohrbodenelement 39 Zweites Rohrbodenelement 41 Trennboden
43 Erste Durchlässe
45 Erste Kappe
47 Zweite Kappe
49 Zweiter Durchlass
51 Dritte Kappe
55 Trageboden

Claims

Patentansprüche
1. Trennelement (11) zur Trennung eines Kathodenraumes (33) von einem Anoden raum (31) einer Reaktorzelle (25) umfassend
- ein Trägerelement (12) und
- ein auf das Trägerelement aufgebrachtes T renn material,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Trägerelement (12) aus einem keramischen Werkstoff mit als Kanälen (17) ausgeführten Poren aufgebaut ist und das Trennmaterial auf die Innenober fläche der Porenkanäle (17) aufgebracht ist, indem das Trennmaterial in die Po renkanäle (17) eingebracht ist.
2. Trennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmate rial ionenselektiv ist und insbesondere für Na+ Ionen durchlässig ist, wohingegen das Trennmaterial insbesondere für flüssiges metallisches Natrium, OH- Ionen und Ionen Komplexe eine Barriere darstellt.
3. Trennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trenn material eine Boranverbindung, insbesondere NaaBn H , ,, ist bzw. eine Mischung von Boranverbindungen ist.
4. Trennelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Kanäle (17) teilweise von einer Oberfläche zu einer anderen Oberflä che des Trägerelements offen sind und teilweise vor einer Oberfläche des Trä gerelements enden.
5. Trennelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das Trennmaterial auf die Innenporenoberfläche aufgesintert ist.
6. Trennelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das Trägerelement die Gestalt eines Rohres (12) besitzt.
7. Trennelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Porenkanäle (17) mit Trennmaterial vollständig gefüllt sind.
8. Reaktorzelle (25) umfassend
- einen Kathodenraum (33) mit einer Kathode,
- einen Anodenraum (31) mit einer Anode und
- ein Trennelement (11) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.
9. Reaktorzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des rohr förmigen Trennelements (11) der Anodenraum (31) vorgesehen ist und aus serhalb des rohrförmigen Trennelements (11) der Kathodenraum (33) vorgesehen ist.
10. Reaktorzelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des rohrförmigen Trennelements (11) ein erstes Rohr (27) angeordnet ist, in wel chem flüssiges Natrium an der Innenseite des ersten Rohres (27) aufsteigen kann und an dem oberen offenen Ende des ersten Rohres ein Überlauf (34) vorgesehen ist.
11. Reaktorzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das rohrförmige Trennelement (11) innerhalb eines zweiten Rohres (29) angeordnet ist, wodurch ein Rohrbündel (36) gebildet ist.
12. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Trennelements (11) der Anodenraum (31) vorgesehen ist und zwi schen der Aussenwand des Trennelements (11) und der Innenseite des zweiten Rohres (29) der Kathodenraum (33) vorgesehen ist.
13. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (29) zur Vergrösserung der Oberfläche wellenförmig ausge bildet ist und an seiner Innenseite Rippen und Sicken ausgebildet sind.
14. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (36) auf einem Rohrboden (35) angeordnet ist.
15. Reaktorzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrboden ein doppelter Rohrboden (35) mit einem ersten und zweiten räumlich voneinan der getrennten Rohrbodenelement (37,39) ist, wobei das erste Rohrbodenelement (37) mit dem ersten Rohr (27) fluiddurchströmbar verbunden ist und der zweite Rohrbodenelement (39) mit dem zweiten Rohr (29) fluiddurchströmbar verbun den ist.
16. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (36) für Wartungszwecke von dem Rohrboden (35) demontier bar ist.
17. Reaktorzelle nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (29) an seinem oberen Ende von einer ersten Kappe (45) ver schlossen ist, an seinem unteren Ende von einer zweiten Kappe (47) verschlossen ist und das obere Ende des rohrförmigen Trägerelements (13) von einer dritten Kappe verschlossen ist, wobei die Kappen bevorzugt aus Polyetheretherketon hergestellt sind.
18. Reaktorzelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Kappe (47) ein zweiter Durchlass (49) für das erste Rohr (27) vorgesehen ist.
19. Reaktorzellen-Block mit einer Mehrzahl von Reaktorzellen (25) nach einem der Ansprüche 8 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Mehrzahl von Reaktorzellen (25) innerhalb eines druckfesten Behälters angeordnet ist.
20. Reaktorzellen-Block nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem druckfesten Behälter und der Mehrzahl von Reaktorzellen (25) gebildete Hohlraum von einem Regel-Fluid zur Temperaturregelung der Reaktorzelle beaufschlagbar ist.
21. Reaktorzellen-Block nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehr zahl von Reaktorzellen (25) auf einem elektrisch isolierten Tragboden (55) ange ordnet ist, welcher Teil des druckfesten Behälters ist.
22. Verfahren zur Herstellung von elektrischem Strom, bei welchem eine Reaktor zelle (25) gemäss einem der Ansprüche 7 bis 17 betrieben wird, dadurch gekenn zeichnet, dass in der Reaktorzelle (25) das elektrochemische Potential freigesetzt wird, indem Metall-Kationen, insbesondere Natrium-Kationen, durch das Trenn element (11) von dem Anodenraum (31) in den Kathodenraum (33) diffundieren und eine wässrige Lauge als Elektrolyt in dem Kathodenraum (33) mit den Me tall-Kationen angereichert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektroche mischen Reaktion in der Reaktorzelle (25) ein elektrischer Gleichstrom und/ oder Wasserstoff entsteht, wobei an der Kathode Wasserstoff gebildet wird, während die Konzentration an Natrium-Ionen steigt.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Flüssigkeit, bevorzugt flüssiges Natrium, welche den Anodenraum (31) durch strömt und eine zweite Flüssigkeit, insbesondere eine wässrige Lauge als Elektro lyt, welche den Kathodenraum (33) durchströmt, in separaten Umläufen prozess gesteuert werden und dadurch ihre Konzentrationen, Drücke, Temperaturen und andere Prozessparameter voneinander getrennt eingestellt werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Natrium angereicherte Elektrolyt aus der Reaktor zelle (25) durch Auf ko chen wieder wasserfrei gemacht wird und die nach der Kalzinierung wasserfreie Natronlauge in einer weiteren an einem beliebigen Ort positionierten Reaktor zelle aufgegeben wird, wobei unter Anlegung eines Gleichstroms metallisches Natrium erzeugt wird, wodurch das Natrium in einem Kreislauf geführt wird.
26. Verfahren zur Herstellung eines Trennelements gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial mit Ultraschall zu einer vordefinierten Korngrössenverteilung zerkleinert wird, bevor das Trennmaterial in die Poren (17) eingebracht wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial nach der Zerkleinerung mit Tensiden versetzt wird, bevor es in die Poren (17) eingebracht wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Trenn material in mehreren Schichten in die Poren (17) eingebracht wird, bis die Poren (17) mit Trennmaterial gefüllt sind, wodurch die Poren (17) eine ionenselektive Barriere darstellen.
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