DE1571942A1

DE1571942A1 - Knallgas-Speicherzelle

Info

Publication number: DE1571942A1
Application number: DE19661571942
Authority: DE
Inventors: Dr Eduard Justi; Dipl-Phys Ralf Wendtland
Original assignee: VARTA AG; Siemens Corp
Current assignee: VARTA AG; Siemens Corp
Priority date: 1966-03-26
Filing date: 1966-03-26
Publication date: 1970-04-02
Also published as: CH464301A; NL152405B; NL6700790A; JPS5240733B1; SE315023B; US3544377A; FR1605123A; NO117747B; DE1571945A1; GB1144237A; AT265388B; BE688721A

Description

Anmo i ier;

V A R .T A Aktiengesellschaft Hagen/Wesft., Dieckstr. 42

und - " -

SIEM ENC -S CIIUCKERTWERKE A . -G . Berlin uη- i Ξ r I nigeη.

ErLanden, 25.3.1966 Werne.r-νon.-S-iemens-S tr. ^j

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Knallgas-Speicherzelle

'5 (:?■(· η :1t--τι χ- η;:. , ι <"'!. ϊ ogendcp Erfindung ist eine Knal-lgasze LLe zur .up· ; j!i<) rurii; von e lektriöcher Energie durch Wasserelektrolyse,
A r't/··;-Wahrung und nachfölende Rekombination der Elektrolysegase. ?,:i 1 :j t'"bereits- bekannt, -e'J ektris-che Energie dadurch zu speichern, ii;i;;3 i.i-iM si« au Zeiten eines Überschusses dazu benutzt, Wasser zu

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elektrolysieren, daß nan die Elektrolysegase '.Va a se χ·3 toff und Sauerstoff eventuell in Komprimierter i'orm au Γ bewahrt und sie aann einer elekirocneraischen Knallgaszelle zuführt, in der unter Hexombination der Gase zu Wasser elektrische Energie zurückgewonnen wira. Früher führte man die inversen Prozesse Elektrolyse uno Rekombination in getrennten Zellen durch. i.s stellte somit einen Fortschritt dar, als man Zellen entwickelte, in denen EIeK-trolyse una Rekombination jremeinsam durchgeführt werden konn'.en. Dieses Ziel wurde insbesondere Jurch die E-orenannte Doppelskelettkatalysator-Elektrode erreicnt, die haneyrickel alt; Katalysator in ein metallisches .!tützgerüst eingebettet enthält una als rever-Diclt.¹ ir'asserstoffelektrode arbeitet (.^BP 1 K-7 40i>j. ... ₌ . .

Einen weiteren Fortschritt brachte die in α er amerikanischen Patentschrift 3 201 232 beschriebene Ventiieiektrode, bei aer eine feinporige liecKschicht mit hoher »7as.se rs torf überspannung eleKtrolytseitig auf einer reversiblen DSK-Arbeits^chicir, aufgebracht ist. Diese Elektrode kehrt bei Stromumkenr unter konstantem Druck auch die Strömungsrichtung des Gases um. Indem man nun gemäß der britischen Patentschrift 951 799 den im Gasraum herr_T sehenden Druck unter Konstanthaltung der Druckdifferenz zwiscnen Gas- und Elektrolytraum auf den Elektrolyten zurückführt, oekommt man eine in weiten Druckbereichen verwendbare Zelle zur Speiche rung durch Druckelektrolyse und Rekombination der Elektrolysegas'e, bei der Kompressoren für die· Gase entbehrlich sind.

Als oauerstoffelektroaen lassen sich in Speicherzellen Nickelelektroden verwenden, doch besitzen diese nur für die Sauerstoff- '

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abscheidung, eine geringe Polarisation; als■■ Säuerst offlö'sungs-. kathoden sind sie hingegen schlecht geeignet. ;;ur Verbesserung der Energiebilanz wurde deshalb in der deutschen Patentschrift 1 200 ^05 vorgeschlageii, in DSK-Eleictroderi Kaneynickel und Haneysilber nebeneinancer zu verwenden. Diese Elektroden vereinigen die guten Eigenschaften des Nickels bei der Sauerstoi'fabscheidung mit denen des Silbers als Säuerst offlösungskatalysator. '■■".

Es hat eich aber gezeigt, daß das Silber in Form von Silberoxyd trotz der niedrigen Saueratoffuberspannung am Nickel bei der Snuerstoffabscheidung im alkalischen Elektrolyten gelöst wird. Das hat zur Folge, daß die Sauerstoffelektroden mit der Zeit unbrauchbar «erden«

lie vorliegende-Erfindung beseitigt uiese Schwierigkeiten unter gleichzeitiger Beibehaltung des Silbers als Katalysator des kathodischen und des Nickels als Katalysator des anoüischen Vor-

Gegenstand der Erfindung ist eine Knallgaszelle zur Speicherung vor elektrischer Energie aurch Wasserelektrolyse, Aufbewahrung una anschließender HeKombination der Elektrolysegase unter Kück gewinnung von elektrisciier Energie, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer doppelseitig arbeitenden Wasserstoffelektrode mit beidseitig davon angeordneten Sauerstoffelektroden besteht, von denen die eine nickeinaltig ist und als Sauerstofianode betrieben wird, die andere silberhaltig ist und ausschließlich als

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Uauerstoffkathode betrieben wird.

An Hand der Figur 1 wird ein Ausführungsbeispiel zur näheren Erläuterung der Erfindung beschrieben.

In der Figur 1 befindet sich auf der linken Seite die nickelhaltige Arbeitsschicht 1 der Sauerstoffanode, die zum Elektrolytraum 3 durch die feinporige Deckschicht 2 abgedeckt ist. Liese jjecKschicht besteht aus einem Material mit so hoher Sauerstoffüberspannung, daß keine Sauerstoffabscheidung an ihr erfolgen kann, die arbeitet somit als Ventilelektrode. -Die Wasserstoffelektrode in der Mitte ist ebenfalls als Ventilelektrode ausgebildet, bei der die Arbeitsschicht 5 von zwei Deckschichten 4 . mit hoher »Vasserstoffüberspannung zum Elektrolyten 3 hin abge- :;ehlousen ist. Me Sauerstoffkathode hat auch eine feinporige Deckschicht 6, doch kann diese aus einem beliebigen Material bestehen; sie bedeckt die silberhaltige Arbeitsschicht 7 der Sauerstoffkathode. Der Sauerstoff wird über die beiden Sauerstoffelektroden gemeinsame Gasleitung 8 zu- oder abgeführt, der Wasserstoff Joer Lei tung 9·

iVährend es notwendig ist, bei der Elektrolyse die silberhaltige Jauerstoffelektrode 7 vom Stromdurchgang auszuschließen, können bei der hekombination beide Gauers-toffelektroden parallel geschaltet werden. Obwohl in diesem-Fall die silberhaltige Arbeitsschicht den Jtrom hauptsächlich liefert, verbessert der geringe Anteil, den die nickelhalt ige Sauerstoffelektrode liefert, doch die Energiebilanz. Die elektrische Schaltung braucht nicht im einzelnen erläutert zu werden, da sie sich aus der Funktionsweise ergibt. So genügt ein von der Stromrichtung oder Zellspannung abhängiges Relais»

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das bei Elektrolysebetrieb die silberhaltige Sauerstoffelektrode von der gemeinsamen otromversorgungsleitung abschaltet.

Beide Elektrolyträume können an einen gemeinsamen Elektrolytkreislauf angeschlossen sein. Man kann jedoch auch zwischen den beiden Bäumen ein hydrostatisches Druckgefälle erzeugen, unter dessem Einfluß die Poren der Wasserstoffelektrode mit frischer Elektrolytlösung gespült werden, so daß Diffusionspolarisation in den Poren, die mit Elektrolyt erfüllt sind, nicht auftritt. Aber auch wenn der Elektrolyt nicht strömt, wird die Funktion der ■.Wasserstoffelektrode dadurch verbessert, daß von der im Rekombinationsbetrieb wenig belasteten Seite Elektrolyt in die Elektrocrenbereiche der stark belasteten Seite injiziert wird.-

Eine andere Aüüführungsform der Erfindung zeigt Pig. 2. Bei dieser sind jnvei Zellen parallel geschaltet, indem zwei gleichartige oauerstuffelektroden zu einer doppelseitig arbeitenden vereinigt wurden. Zu diesem Zweck bringt man auf die betreffende Arbeit s«- s'chieht 27 beidseitig Deckschichten 26 auf. Im einzelnen sind. 21 SauerstOffarbeitsschichten mit zu ZT inverser Funktion, 22 deren Deckscnichten, 25 Arbeitsschiehten der Wasserstoffelektroden und

24 aeren Deckschichten. Die Elektrolyträume sind mit 23 bezeichnet. Da man das Verfahren sowohl auf die silberhaltigen wie auf die nickelhaltigen Sauerstoffelektroden anwenden kann, -kommt man zu einer Zelle mit beliebig vielen parallel geschalteten Elektroden. .■-.."-■'

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IV. a η kann auch eine raumsparende Serie.nschaltung von Zellen dadurch erzielen, daß man zwei Sauerstoffelektroden benachbarter ZeILen voneinander isoliert mit gemeinsamem Gasraum dazwischen anordnet.

Eine besonders einfache Ausführung gewinnt man dadurch, aaß man die Leckschichten zweier benachbarter Elektroden durch ein gemeinsames nicntleitenaea Liapnragma ersetzt, auf das die Arbeitsschichteii fest auigepreüt werden,- Liese Anordnung ist in i-ig. 3 aargestellt. Man erhäiü einen Biocx, oestehend au:; einer Jauerstoffe Lejctrodenschicnt j7 mit beidseitig aniiegenaen ^iaphragiaen 36 und V/asserstoff Ventilelektroden 3b, die jeaocn auf α er den Liaphragmen zugewandten leiten Keine zusätzlicnen i^ecKschichten tragen, .-ibgeschlosse-ii' v.ira der !block durch die uec/cscnicht en 34 der beiden wasserstoffventileleKtroden. 33 sina aie EieiCtrolytruurae und 32 die LecK.schichten der Sauerstoffarbe itsscr.icnten 31 mit zu 37 inverser Funktion. Gaszuführungen wurden der besseren ubersicnt halber nicht eingezeichnet.

kan kann die in Fig. 3 gezeigte Anordnung dadurch vervielfachen, daß man die Endelektroden doppelseitig arbeitend ausführt υηυ die Zelle an der Arbeitsschicht 31.spiegelt. Auen in dieser Anordnung kann man die einzelnen Elektroden bzw. den mittleren Elektrodenblock dadurch spülen, daß man zwischen den benachbarten £lek".rolyträumen eine hydrostatische Lruckdifferenz einsteilt. Liese Arbeitsweise ist besonders dann zu empfehlen, wenn große uärmemengen abgeführt werden müssen, da man den gekühlten ~,1 ektroiyten mit großer Geschwindigkeit durch jeden zweiten Elektrolytraum fuhren kann und in den übrigen einen leichten Überdruck wirken

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. Jchlie-ßlich erzielt man eine besonders dichte lackung der Elektroden, wenn man auf freie Elektrolyträume ganz verzichtet und in Fig. 3 die Deckschichten 34 unü 32 durch elektrolytgetränkte

Diaphragmen erset.z*t. Er resultiert dann die in Fig. 4 gezeigte Zelle. 41 ist die nickelhaltige Sauerstoffelektrode, 45 Qie Was-, serstoffelektrode und 47 die silberhaltige Sauerstoffelektrode. Zwischen diesen einschichtigen Elektroden sind eie gleichartigen Diaphragmen 46 angeordnet. 42 sind poröse ütütz-schichten, die zur Stabilisierung der Enddiaphragmen dienen. Unter aem Einfluß eines in üer Pumpe 48 erzeugten Druckgefalles strömt der Elektrolyt aus dem Kaum 44 in den Elektrolytraum 43, wobei die dazwischen liegender: Elektroden und 1 iaphragmen wirksam gespült werden. Die Betriebsgase vieraen in der aus Pig. 4 ersichtlichen Weise den Elektroden vom Hände her nugeführt bzw. aus ihnen abgeführt.

Die erfinoungsgemäße Zeile eignet sich in Kombination mit einem reinen H j-0-.-Brennst off element besonders zur Energieversorgung einsanier stationärer Anlagen„ Als r eines Brennstoffelement wird hier eine im Aufbau gleiche oder auch andersartige Zelle bezeichnet* die jedoch ausschließlich silberhaltige Sauerstoffkathoden enthalt. Das ist immer dann von Vorteil, wenn die elektrische Energie mit niedriger Spannung geliefert wird und man bei der kekombinatior. in einer größeren 2ahl in Serie geschalteter Brennstoffzellen mit kleinerem Elektrodenquerschnitt eine höhere Spannung erzielen möchte. Eine derartige Anlage wirkt" als Gleichspannungstransformator, bei dem als intermediäre Energieform die chemische Energie der Elektrolysegase auftritt. -.,.-■ -,..--.,. ■

14 Patentansprüche _Λ - * _A , . _JÄÄ
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Claims

PLA 66/8207 Patentansprüche

1. Knallgaszelle zur Speicherung von elektrischer Energie durch Wasserelektrolyse, Aufbewahrung und anschließender Rekombination der Elektrolysegase unter Rückgewinnung von elektrischer Energie, aaaurch gekennzeichnet, daß sie aus einer doppelseitig arbeitenden V/asserütoffelektrode mit beidseitig davon angeordneten Sauerstoff-

elektroden besteht, von denen die eine nickelhaltig ist und als dauerst offanode betrieben wird, die andere silberhaltig ist und ausschließlich als Sauerstoffkathode betrieben wird. *

2. Knallgaszelle nach Anspruch 1_} dadurcn gekenrizeichnet, daß die beidseitig angeordneten Sauerstoffelektroden jeweils aus einer katalytisch wirksamen porösen Arbeitsschicht mit einem mittleren Torenaurchmesser r. und einer diese bedeckenden katalytisch inaktiven Deckschicht bestehen, deren mittlerer Porendurchmesser r₂ kleiner ale T₁ ist. ■

3. Knaligaszelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leckschicht der nickelhaltigen Arbeitsschicht aus einem Material ir.it so hoher Säuerst off überspannung besteht, daß an ihr.keine üaueystoffabscheidung erfolgen kann.

4. Knallgaszelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, αaß die Sauerstoffelektroden jeweils aus einer porösen Arbeitsschicht und beidseitig davon angeordneten feinporigen Deckschichten bestehen.

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5·. Knallgaszelle nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • daß die beidseitig der Wasserst off elektrode angeordneten: -Sauer--. Stoffelektroden an die gleiche Sauerstoffleitung angeschlOssen sind.

6. Knallgaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffelektrode aus einer porösen Arbeitsschicht und beidseitig davon angeordneten feinporigen Deckschichten besteht, deren Wasserstoffüberspannung'so hoch ist, daß an ihnen keine Wasser-." ctoffabscheidung erfolgen kann. '

7. Knallgaszelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei gleichartige Sauerstoffelektroden benachbarter und parallel geschalteter Zellen zu einer doppelseitig arbeitenden Elektrode vereinigt sind.

8. Knallgaszelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Säuerst offelektroden benachbarter, und in Serie geschalteter Zellen elektrisch voneinander isoliert und mit einem gemeinsamen Gasraum dazwischen versehen sind.

9. Knallgaszelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,. QaH axe i/ecKsc nicht en zweier benachbarter Elektroden durch ein gemeinsames nicht leitendes Diaphragma ersetzt sind, auf das die Arbeitsschichten fest aufgepreßt sind.

10. Knallgaszelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß α ie freien ElektroIyträume durch elektrolytgetränkte Diaphrag-

. men ersetzt sind _v' θ'θ9β14/0903 .

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11. Knallgaszelle nach Anspruch 9_S dadurch gekennzeichnet, aab die Enddiaphragmen durch poröse Stütssehichten stabilisiert sind.

12. Verfahren- zum Betrieb der Knallgaszelle nacn den Ansprüchen

1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt durch ein hydrostatisches Druckgefälle im Kreislauf geführt wird.

13. Verfahren nach den Ansprüchen T bis 10, dadurch gekennze ichne-t, dad der Elektrolyt mit Hilfe einer Pumpe im Kreislauf geführt ·.·.iru

14. verfanren nach oen Ansprüchen 1 bis 12, daaurch gc-IcennKeichr.et., u-oie Knal!gaszelle mit einem reinen .Brennstoffelement gekoppelt Wfird, das ausschließlich silberhaltige oauerstol"fKathoden enthält. -

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