DE1271797B

DE1271797B - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1271797B
Application number: DEP1271A
Authority: DE
Inventors: Karl Victor Kordesch
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1958-09-30
Filing date: 1959-09-30
Publication date: 1968-07-04

Description

Brennstoffelement Es sind schon Brennstoffelemente mit einem sauren Elektrolyten zum Betrieb mit Wasserstoff und Chlorgas bekannt. Es ist ferner bekannt, in solchen Brennstoffelementen mindestens eine rohrförmige Wasserstoffelektrode aus porösem, aktiviertem, kohlenstoffhaltigem Material mit einer Porosität von 30 bis 351/o, die als Wasserstoffdissoziationskatalysator eine Edelmetallbeschichtung hat, zu verwenden. Es ist schließlich bekannt, in diesen Brennstoffelementen mindestens eine rohrförmige Chlorelektrode aus porösem, aktiviertem, kohlenstoffhaltigem Material zu verwenden.
Die deutsche Patentschrift 259 241 beschreibt ein Wasserstoff-Chlor-Brennstoffelement mit einer Chlorelektrode aus Kohlenstoff. Nach der britischen Patentschrift 521773 sind Wasserstoff-Chlor-Brennstoffelemente bekannt, bei denen die Elektrode aus poröser Retortenkohle oder Graphit bestehen können. Beiden Veröffentlichungen läßt sich kein Hinweis darauf entnehmen, daß es möglich ist, die Wirksamkeit der Kohlenstoffelektroden durch Katalysatoren zu verbessern.
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement mit einem sauren Elektrolyten zum Betrieb mit Wasserstoff und Chlorgas mit mindestens einer rohrförmigen Wasserstoffelektrode aus porösem, aktiviertem, kohlenstoffhaltigem Material mit einer Porosität von 30 bis 35%, die als Wasserstoffdissoziationskatalysator eine Edelmetallbeschichtung hat, ferner mit mindestens einer rohrförmigen Chlorelektrode aus porösem, aktiviertem, kohlenstoffhaltigem Material. Das Brennstoffelement ist dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden in an sich bekannter Weise mit einem Schwermetallkatalysator aus dem Pyrolyseprodukt eines Gemisches von Kobaltnitrat und Aluminiumnitrat versehen sind und daß die Wasserstoffelektrode eine Edelmetallbeschichtung von 0,25 bis 8 mg/cm2 Rhodium, Iridium, Ruthenium oder Osmium oder mehrerer dieser Metalle hat.
Bei erfindungsgemäßen Brennstoffelementen ist die wirksame Oberfläche der Wasserstoffelektrode vorteilhaft größer, vorzugsweise um 5 bis 19 % größer, als die wirksame Oberfläche der Chlorelektrode.
Die Elektroden für die erfIndungsgemäßen Brennstoffelemente können z. B. so hergestellt werden, daß man ein Gemisch aus 100 Gewichtsteilen Petroleumkoks, Kokosnußkohle oder Ruß mit 63 Gewichtsteilen Weichpech oder Phenolformaldehydharz und 3 Gewichtsteilen Heizöl zu Rohren formt und diese Formlinge dann 6 Stunden lang auf 10000 C erhitzt. Die Porosität der so hergestellten Kohlekörper beträgt 1.8 bis 20%. Beim weiteren Erhitzen der Rohre in einer Atmosphäre von Kohlendioxyd bei 850 bis 9500 C steigt die Porosität auf etwa 25 II/o.
Anschließend wird eine 0,lmolare wäßrige Lösung von Kobaltnitrat und Aluminiumnitrat aufgebracht und die Elektrodenkörper werden erhitzt, wobei aus den Salzen die Verbindung CoO - AI 20, entsteht. Diese Behandlung ist in den USA.-Patentschriften 2615932, 2669598 beschrieben. Nach diesem bekannten Stand der Technik können an Stelle von Kobaltnitrat auch ein oder mehrere Nitrate anderer Schwermetalle, wie Eisen, Nickel, Mangan, Chrom, Kupfer, Silber, Gold, Plantin, Vanadium, Thorium, Seltene Erden u. dgl. verwendet werden. Ebenso können die Salze an Stelle des Salpetersäurerestes auch Reste anderer oxydierender Säuren, wie salpetrige Säure, Chlorsäure, Oxalsäure, Essigsäure, Ameisensäure u. dgl., enthalten.
Beim Erhitzen der getränkten Elektrodenkörper unter Spinellbildung wird ihre Porosität bis auf 30 bis 35% gesteigert.
An diese Behandlung schließt sich die Beschichtung der Wasserstoffelektrode mit einem Katalysator aus Rhodium, Iridium, Ruthenium oder Osmium an. Man kann z. B. eine 10 %ige wäßrige Lösung von Rhodiumtrichlorid in einer solchen Menge aufbringen, daß auf jeden Quadratzentimeter der Oberfläche 0,25 bis 8 mg Metall entfallen. Besonders gute Ergebnisse werden mit einer Beschichtung von etwa 2mg/cm?- erhalten. Das Zersetzen der aufgebrachten Metallverbindungen geschieht in üblicher Weise, z. B. durch Erhitzen auf 4001 C in einer Wasserstoffatmosphäre.
Zur Erhöhung ihrer Lebensdauer und Leistung können die Elektroden, insbesondere die Wasserstoffelektrode, mit einem Film aus poröser Natriumcarboxyinethylcelliilose überzogen sein.
In den erfindungsgemäßen Brennstoffelementen können die Elektroden in verschiedener Weise in Bündeln oder Gruppen angeordnet sein. Das Element kann z. B. zwei zylindrische Elektroden, eine Wasserstoffelektrode und eine Chlorelektrode, nebeneinander enthalten. Das Element kann auch eine Cblorelektrode und zwei Wasserstoffelektroden enthalten, wobei die drei Elektroden in einer Ebene oder in zwei Ebenen angeordnet sein können. Man kann auch z. B. vier Wasserstoffelektroden um eine Chlorelektrode herum anordnen. Ein sehr leistungsfähiges Element enthält in der Mitte eine Chlorelektrode und um diese herum eine Wasserstoffelektrode.
Beim Betrieb der Brennstoffelemente wird den Elektroden Gas in solchen Mengen zugeleitet, wie sie für die gewünschte Stromdichte nötig sind; ein Gasüberschuß ist nicht erforderlich. Ein Element mit zwei rohrförmigen Elektroden von 10 cm Länge, einem Innendurchmesser von etwa 1,3 cm und einem Außendurchmesser von etwa 1,85 cm braucht zur Erzeugung eine#s Stromes von 1 A bei einer Spannung von 1,1 V stündlich 500 cm3 Wasserstoff und dieselbe Menge Chlorgas.
Die Elemente nach der Erfindung lassen sich innerhalb eines weiten Bereichs betreiben, z. B. bei Gasdrücken von 0,1 bis 10 Atmosphären und Temperaturen von 20 bis 150' C.
Bei der Umsetzung von Chlor und Wasserstoff entsteht Chlorwasserstoff, der bei Raumtemperatur bis zu einer Konzentration von 24 % in Wasser löslich ist. Um die Konzentration des Chlorwasserstoffs im Elektrolyten nicht zu hoch steigen zu lassen, kann überschüssiger, gasförm#iger Chlorwasserstoff abgeblasen werden. Es ist aber zu empfehlen, in solchen Fällen während des Betriebes des Elements einen Teil des Chlorwasserstoff enthaltenden Flektrolyten abzuziehen und die entsprechende Menge Wasser zuzugeben.
Die Leerlaufspannung der neuen Elemente beträgt 1,3 V in einer 4normalen wäßrigen HCI-Lösung; ein entsprechendes Wasserstoff-Sauerstoff-Element hat in 12- bis 15molarer KOH-Lösung eine Leerlaufspannung von höchstens 1 V. Die Polarisation bei Belastung ist sehr gering. In einem Element mit zwei Elektroden wurden bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck Stromdichten von 10 mA/cm2 bei 1,25 V, 20 niA/cm2 bei 1,22 V, 30 mA/cm2 bei 1,20 V, 50mA/cm2 bei 1,15V und 100mA/cm2 bei 1,10V festgestellt. Die letztere Stromdichte ist etwa zehnmal so hoch wie die Stromdichte, die sich unter gleichen Bedingungen in einem Wasserstoff-Sauerstoff-Element erhalten läßt. In diesem wird bei einer Stromdichte von etwa 10 mA/cm.2 auch nur eine Spannung von 0,8 V erreicht, verglichen mit der Spannung von 1,10 V bei Elementen nach der Erfindung. Die neuen Elemente sind also besonders geeignet zur kurzzeitigen Erzeugung eines starken Stromes.

Claims

Patentansprüche: 1. Brennstoffelement mit einem sauren Elektrolyten zum Betrieb mit Wasserstoff und Chlorgas mit mindestens einer rohrförmigen Wasserstoffelektrode aus porösem, aktiviertem, kohlenstoffhaltigem Material mit einer Porosität von 30 bis 35 oh, das als Wasserstoffdissoziationskatalysator eine Edelmetallbeschichtung hat, ferner mit mindestens einer rohrförmigen Chlorelektrode aus porösem, aktiviertem, kohlenstoffhaltigem Material, dadurch gekennzeichnet, daßbeide Elektroden in an sich bekannter Weise mit einem Schwermetallkatalysator aus dem Pyrolyseprodukt eines Gemisches von Kobaltnitrat und Aluminiumnitrat versehen sind und daß die Wasserstoffelektrode eine Edelmetallbeschichtung von 0,25 bis 8 Mg/CM2 Rhodium, Iridium, Ruthenium oder Osmium oder mehrerer dieser Metalle hat.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Oberfläche der Wasserstoffelektrode um 5 bis 19 % größer ist als die wirksame Oberfläche der Chlorelektrode. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 142 470, 181814, 259 241, 348 393, 437 009, 437 594, 648 940, 650 224, 714 265; deutsche Auslegeschrift Nr. 1036 345; britische Patentschriften Nr. 271581, 521773, 723 022; österreichische Chemikerzeitung, 52 (1951), 7, S.128.