DE2445380A1 - Hydrazine-oxygen fuel cells for small power outputs - using porous asbestos membrane contg. ion-exchange material - Google Patents
Hydrazine-oxygen fuel cells for small power outputs - using porous asbestos membrane contg. ion-exchange materialInfo
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Abstract
Description
#drazin/Sauerstoff-Brennstoffelement für kleine Leistungen Die Erfindung betrifft ein Hydrazin/Sauerstoff-Brennstoffelement mit einer zwischen Hydrazin- und Sauerstoffelektrode angeordneten porösen Asbestmembran.# drazin / oxygen fuel element for small capacities The invention relates to a hydrazine / oxygen fuel element with a hydrazine and an oxygen electrode arranged porous asbestos membrane.
Hydrazin/Sauerstoff-Brennstoffelemente werden mit Luft oder Sauerstoff als gasförmigem Oxidationsmittel und mit in der Elektrolytflüssigkeit, wie Kalilauge, gelöstem Hydrazin als Brennstoff betrieben. Dabei ist es im allgemeinen erforderlich, die Hydrazinkonzentration im Elektrolyten genau einzustellen. Eine genaue Dosierung des Brennstoffes erfordert aber einen großen Regelaufwand. Bei hohen Hydrazinkonzentrationen würden zwar auftretende Regelschwankungen auf den Betrieb des Brennstoffelementes keinen nennenswerten Einfluß ausüben und die Regelung könnte deshalb in diesem Fall mit einem einfachen Regler erfolgen. Bei hohen Hydrazinkonzentrationen im Elektrolyten treten jedoch hohe Kurzschlußströme infolge chemischen Kurzschlusses auf. Unter einem chemischen Kurzschluß wird dabei der Effekt verstanden, daß Hydrazin zur Sauerstoffelektrode (Kathode) diffundiert und dort - da diese Elektrode nicht selektiv arbeitet und nicht nur die Sauerstoffumsetzung katalysiert - zu Stickstoff, Ammoniak und Wasser oxidiert wird. Die dabei auftretenden Kurzschlußströme, die den Wirkungsgrad des Brennetoffelementes herabsetzen, machen sich naturgemäß insbesondere bei Brennstoffelementen bzw. Brennstoffbatterien zur Erzeugung kleiner Leistungen sehr nachteilig bemerkbar.Hydrazine / oxygen fuel elements are made with air or oxygen as a gaseous oxidizing agent and in the electrolyte liquid, such as potassium hydroxide, dissolved hydrazine operated as fuel. It is generally necessary to precisely adjust the hydrazine concentration in the electrolyte. An exact dosage of the fuel, however, requires a great deal of control effort. At high hydrazine concentrations would occur control fluctuations on the operation of the fuel element exercise no appreciable influence and the regulation could therefore in this case can be done with a simple regulator. With high hydrazine concentrations in the electrolyte however, high short-circuit currents occur as a result of chemical short-circuits. Under A chemical short-circuit is understood to mean the effect that hydrazine becomes the oxygen electrode (Cathode) diffuses and there - because this electrode does not work selectively and not only catalyzes the conversion of oxygen - to nitrogen, ammonia and water is oxidized. The short-circuit currents that occur, which reduce the efficiency of the Reduce fuel element, make themselves naturally especially with fuel elements or fuel batteries for the generation of small powers noticeable very disadvantageously.
Zur Verhinderung der Hydrazindiffusion und zur Verringerung der Kurzschluß ströme bei Hydrazin/Sauerstoff-Brennstoffelementen ist es bereits bekannt, die Kathode von dem Hydrazin enthaltenden Elektrolyten durch eine Ionenaustsuschermembran zu trennen, welche im wesentlichen aus einem Alkalisalz eines Copolymerisates von Acrylsäure und/oder Methacrylsäure mit Äthylen besteht (deutsche Offenlegungsschrift 1 946 523). Der Einsatz von Ionenaustauschermembranen in Brennstoffelementen erfordert aber einen besonderen konstruktiven Aufwand, da sich derartige Membranen abhängig von der jeweiligen Elektrolytkonzentration in ihrer Längenausdehnung ändern und darüber hinaus häufig sehr spröde sind.To prevent hydrazine diffusion and reduce short circuit In the case of hydrazine / oxygen fuel elements, it is already known that the cathode of the hydrazine-containing electrolyte through an ion exchange membrane separate, which consists essentially of an alkali salt of a copolymer of acrylic acid and / or methacrylic acid with ethylene (German Offenlegungsschrift 1 946 523). The use of ion exchange membranes in fuel elements requires but a special design effort, since such membranes are dependent from the respective electrolyte concentration change in their linear expansion and in addition, they are often very brittle.
Außerdem verhindern Ionenaustauschermembranen zwar die Diffusion von Hydrazin zur Sauerstoffelektrode, gleichzeitig beeinträchtigen sie aber auch den An transport des für die Sauerstoffumsetzung erforderlichen Wassers.In addition, ion exchange membranes prevent the diffusion of Hydrazine to the oxygen electrode, but at the same time they also affect the To transport the water required for oxygen conversion.
Es ist ferner bereits bekannt, in Hydrazin/Sauerstoff-Brenn stoffelementen als Diffusionsbarriere für Hydrazin zwischen Kathode und Anode eine poröse Asbestmembran anzuordnen (vgl.It is also already known in hydrazine / oxygen fuel elements a porous asbestos membrane as a diffusion barrier for hydrazine between the cathode and anode to be ordered (cf.
beispielsweise: Chemiker-Zeitung, Bd. 97, 1973, S. 502 -507). Durch diese Asbestmembranen kann der chemische Kurzschluß infolge einer verminderten Hydrazindiffusion merklich verringert werden; darüber hinaus sind diese Membranen leicht handhabbar und sehr flexibel. Membranen, die einerseits die Hydrazindiffusion und damit die chemischen Kurzschlußströme in ausreichendem Maße reduzieren und andererseits den Transport einer ausreichenden Wassermenge ermöglichen, müßten aber relativ dick sein, nämlich 2 mm und mehr. Dicke Asbestmembranen, die sämtlichen bei der Verwendung in Brennstoffelementen gestellten Anforderungen genügen, sind aber schwierig herzustellen. Darüber hinaus nimmt mit zunehmender Stärke der Asbestmembranen zwar der chemische Kurzschluß ab, der ohmsche Widerstand jedoch nimmt zu, so daß eine zusätzliche Verminderung des Spannungswirkungsgrades in Kauf genommen werden müßte.for example: Chemiker-Zeitung, Vol. 97, 1973, pp. 502-507). By These asbestos membranes can break the chemical short circuit due to decreased hydrazine diffusion be noticeably reduced; in addition, these membranes are easy to handle and very flexible. Membranes, on the one hand, the hydrazine diffusion and thus the reduce chemical short-circuit currents to a sufficient extent and on the other hand the Allow a sufficient amount of water to be transported, but would have to be relatively thick be, namely 2 mm and more. Thick asbestos membranes, all in use meet the requirements made in fuel elements, but are difficult to manufacture. In addition, as the thickness of the asbestos membrane increases, so does the chemical Short-circuit from, but the ohmic resistance increases, so that an additional reduction the voltage efficiency would have to be accepted.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Hydrazin/Sauerstoff-Brennstoffelement mit einer zwischen Hydrazin- und Sauerstoffelektrode angeordneten porösen, als Diffusionsbarriere für das Hydrazin dienenden Asbestmembran anzugeben, welche leicht handhabbar und sehr flexibel ist und darüber hinaus die chemischen Kurzschluß ströme in ausreichendem Maße reduziert und einen ausreichenden Wassertransport zur Sauerstoffelektrode ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide a hydrazine / oxygen fuel element with a porous diffusion barrier between the hydrazine and oxygen electrodes indicate for the hydrazine serving asbestos membrane which is easy to handle and is very flexible and, moreover, the chemical short-circuit currents in sufficient Reduced dimensions and enables sufficient water transport to the oxygen electrode.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Asbestmembran erreicht, in deren Poren Ionenaustauschermaterial eingelagert ist.This is achieved according to the invention by an asbestos membrane in which Pores ion exchange material is embedded.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porosität der eingelagertes Ionenaustauschermaterial aufweisenden Asbestmembran etwa zwischen 1 und 5 Vol.-% liegt, das Verhältnis von Asbestmaterial zu Ionenaustauschermaterial etwa zwischen 90:10 und 40:60 beträgt und die Asbestmembran etwa 0,3 bis 1,5 mm dick ist.It is particularly advantageous if the porosity of the embedded Asbestos membrane having ion exchange material approximately between 1 and 5% by volume is, the ratio of asbestos material to ion exchange material about between 90:10 and 40:60 and the asbestos membrane is about 0.3 to 1.5 mm thick.
Die Verwendung von Asbestmembranen mit eingelagertem Ionenaustauschermaterial als Diffusionsbarriere für Hydrazin bietet verschiedene Vorteile. Die urspru~nglich hohe Porosität, welche die Ursache für das Auftreten chemischer Kurzschlußströme ist, wird durch das eingelagerte lonenaustauschermaterial erheblich verringert, ohne daß dabei eine wesentliche Erhöhung des ohmschen Widerstandes auftritt.The use of asbestos membranes with embedded ion exchange material as a diffusion barrier for hydrazine offers various advantages. The originally high porosity, which is the cause of the occurrence of chemical short-circuit currents is, is significantly reduced by the stored ion exchange material, without a substantial increase in the ohmic resistance occurring.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der Verwendung derartiger Membranen ein ausreichender Wassertransport gewährleistet ist. Die Asbestmembranen sind ferner einfach herzustellen, leicht handhabbar und sehr flexibel und unterliegen keinen wesentlichen Längenänderungen.Another advantage is that when using such Membranes a sufficient water transport is guaranteed. The asbestos membranes are also easy to manufacture, easy to handle and very flexible and subject to no significant changes in length.
Das Ionenaustauschermaterial ist vorzugsweise sulfoniertes Polystyrol. Dieses Material hat den Vorteil, daß es bis ca. 12000 beständig ist. Vorteilhaft kann das Ionenaustauschermaterial auch ein Alkalisalz der Polyacrylsäure sein (Temperaturbeständigkeit bis ca. 8000), es kann beispielsweise aber auch mit Divinylbenzol vernetzte Acrylsäure verwendet werden. Die Herstellung von Ionenaustauschermaterial enthaltenden Asbestmembranen kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen. Beispielsweise kann Acrylsäure in die porösen Membranen eingebracht und dann polymerisiert werden. Das Verschließen der Poren kann aber auch durch Vernetzen der eingelagerten Acrylsäure mit einem Vernetzungsmittel, wie Divinylbenzol, erfolgen. Die Sber£thrung der Säuregruppen in die Salze erfolgt dann beispielsweise durch Behandeln mit Alkalihydroxiden. Schließlich kann aber auch bereits bei der Herstellung der Asbestmembranen gemahlenes, ausgehärtetes Ionenaustauschermaterial zwischen die Asbestfasern eingelagert werden, insbesondere in Form von sulfoniertem Polystyrol.The ion exchange material is preferably sulfonated polystyrene. This material has the advantage that it is up approx. 12000 resistant is. The ion exchange material can advantageously also be an alkali metal salt of polyacrylic acid (temperature resistance up to approx. 8000), but it can also be with Divinylbenzene crosslinked acrylic acid can be used. The manufacture of ion exchange material containing asbestos membranes can be done by various methods. For example Acrylic acid can be introduced into the porous membranes and then polymerized. The pores can also be closed by crosslinking the embedded acrylic acid with a crosslinking agent such as divinylbenzene. The dissociation of the acid groups in the salts is then carried out, for example, by treatment with alkali hydroxides. In the end but can also be ground, hardened during the production of the asbestos membranes Ion exchange material are embedded between the asbestos fibers, in particular in the form of sulfonated polystyrene.
Besonders vorteilhaft können beim Aufbau einer Hydrazin/ Sauerstoff-Brennstoffbatterie aus mehreren Brennstoffelementen nach der sogenannten Filterpressenbauweise die Asbestmembranen in der Dicke verstärkte, elektrolytundurchlässige und gasdichte Randzonen aufweisen, in die die Kanäle zur Versorgung der Brennstoffbatterie mit dem Elektrolyt/Hydrazin-Gemisch bzw. mit dem gasförmigen Oxidationsmittel eingearbeitet sind. Durch eine derartige Ausgestaltung der Asbestmembranen werden die Gas- und Elektrolyträume der Brennstoffbatterie hervorragend nach außen abgedichtet, so daß irgendwelche zusätzliche Dichtungselemente, wie Dichtungsringe, nicht mehr erforderlich sind (vgl. deutsche Offenleguügsschrift 2 026 220). Insbesondere wegen ihrer Flexibilität können die Asbestmembranen dabei gleichzeitig auch zur gasdichten Trennung der Gasräume von den Elektrolyträumen herangezogen werden.Can be particularly advantageous when building a hydrazine / oxygen fuel battery from several fuel elements according to the so-called filter press construction Asbestos membranes reinforced in thickness, electrolyte-impermeable and gas-tight Have edge zones in which the channels for supplying the fuel battery with incorporated into the electrolyte / hydrazine mixture or with the gaseous oxidizing agent are. Such a design of the asbestos membranes, the gas and Electrolyte chambers of the fuel battery sealed off from the outside, so that any additional sealing elements, such as sealing rings, are no longer required (see German Offenleguügsschrift 2 026 220). Especially because of their flexibility At the same time, the asbestos membranes can also be used for gas-tight separation of the gas spaces be used by the electrolyte chambers.
Werden in Hydrazin/Sauerstoff-Brennstoffelementen bzw. in entsprechenden Brennstoffbatterien als Sauerstoffelektroden aogenannte gestützte Elektroden verwendet (vgl.: P.v.Sturm, Elektrochemische Stromerzeugung", Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstraße, 1969, S. 109), bei welchen das pulverförmige Katalysatormaterial gasseitig von einem Kontaktnetz gestützt ist und auf der anderen Seite des Katalysatormaterials eine sogenannte Deckschicht, d.h. eine flexible, dünne und feinporige Schicht, beispielsweise aus Asbestpapier, angeordnet ist, so kann die Ionenaustauschermaterial enthaltende Asbestmembran vorteilhaft gleichzeitig die Deckschicht für die Sauerstoffelektrode bilden. Auf diese Weise wird dann ein Bauelement eingespart, was insbesondere zu einer Verringerung des Bauvolumens beiträgt.Are in hydrazine / oxygen fuel elements or in corresponding Fuel batteries are used as oxygen electrodes called supported electrodes (see: P.v.Sturm, Elektrochemische Stromproduktion ", Verlag Chemie GmbH, Weinheim / Bergstrasse, 1969, p. 109), in which the powdered catalyst material on the gas side of a Contact network is supported and on the other side of the catalyst material one so-called cover layer, i.e. a flexible, thin and fine-pored layer, for example made of asbestos paper, so can contain the ion exchange material Asbestos membrane is advantageous at the same time as the cover layer for the oxygen electrode form. In this way, a component is saved, which is particularly important contributes to a reduction in the construction volume.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention is based on an exemplary embodiment and a figure will be explained in more detail.
Die Figur zeigt schematisch im Schnitt eine vorteilhafte Ausführungsform einer aus erfindungsgemäßen Brennstoffelementen aufgebauten Hydrazin/SauerstoffBrennstoffbatterie.The figure shows schematically in section an advantageous embodiment a hydrazine / oxygen fuel battery constructed from fuel elements according to the invention.
Der flüssige Brennstoff Hydrazin ist in einem alkalischen Elektrolyten, beispielsweise 6 m Kalilauge gelöst; Sauerstoff dient als gasförmiges Oxidationsmittel. Die Brennstoffbatterie besteht aus fünf Brennstoffelementen 1 bis 5, die durch beispielsweise aus Nickel bestehende Trennbleche 6 voneinander getrennt sind. Die Brennstoffelemente sind zu einem Stapel angeordnet und werden mit Hilfe von Schraubenbolzen 7 zwischen zwei Endplatten 8 zusammen&erre#t, die beispielsweise aus Plexiglas oder glasfaserverstärktem Epoxidharz bestehen können. Zwischen den Endplatten 8 und den Brennstoffelementen 1 und 5 ist je ein weiteres Nickelblech 9 vorgesehen, das als Kontaktblech dient. Die Kontaktbleche 9 sind in ihrer Mitte mit Stromabführungen 10 verbunden, die durch die Endplatten 8 nach außen gerührt sind.The liquid fuel hydrazine is in an alkaline electrolyte, for example 6 m potassium hydroxide solution dissolved; Oxygen serves as a gaseous oxidizing agent. The fuel battery consists of five fuel elements 1 to 5, which by for example made of nickel separating plates 6 are separated from each other. The fuel elements are arranged in a stack and with the help of screw bolts 7 between two end plates 8 together, for example made of plexiglass or glass fiber reinforced Epoxy resin can exist. Between the end plates 8 and the fuel elements 1 and 5, a further nickel sheet 9 is provided, which serves as a contact sheet. The contact plates 9 are connected in their middle with current leads 10, which through the end plates 8 are agitated outwards.
Jedes einzelne Brennstoffelement besteht aus einem Elektrolytraum 11 und einem Gasraum 12, die durch eine Asbestmembran 13, die im folgenden auch als Asbestdiaphragma bezeichnet wird, voneinander getrennt sind. In die Asbestdiaphragmen 13 ist Ionenaustauschermaterial 14 eingelagert. Es sei darauf hingewiesen, daß an sich nur der zentrale Teil der Asbestmembranen, d.h. im wesentlichen der zwischen Anode 15 und Kathode 18 liegende Teil, mit Ionenaustauschermaterial gefüllt zu sein braucht, um die chemischen Kurzschlußströme wirksam zu unterbinden. Aus fertigungstechnischen Gründen werden im allgemeinen aber auch die Randbereiche oder Randzonen der Asbestdiaphragmen Ionenaustauschermaterial enthalten, weil dann die Herstellung der Asbestdiaphragmen einfacher ist.Each individual fuel element consists of an electrolyte compartment 11 and a gas space 12, which is formed by an asbestos membrane 13, which will also be used in the following referred to as an asbestos diaphragm, are separated from each other. In the asbestos diaphragms 13 ion exchange material 14 is incorporated. It should be noted that at only the central part of the asbestos membrane, i.e. essentially that between Anode 15 and cathode 18 lying part to be filled with ion exchange material needs to effectively prevent the chemical short-circuit currents. From production engineering Reasons are generally also the edge areas or edge zones of the asbestos diaphragms Ion exchange material included, because then the production of asbestos diaphragms is easier.
Im Elektrolytraum 11 befindet sich angrenzend an das .Asbes tdiaphragma 13 die als Xydrazin-Elektrode dienende Anode 15.In the electrolyte space 11 is adjacent to the .Asbes tdiaphragm 13 the anode 15 serving as the xydrazine electrode.
Die Anode 15 besteht beispielsweise aus einem feinmaschigen Nickelnetz (Drahtdicke etwa C,1 mm), das beispielsweise mit 5 mg Platin/cm2 als Katalysator schichtet ist. An diese Anode 15 schließt sich ein grobmaschiges Metallnetz 16 an, beispielsweise ein Niekelnetz, das als Abstandhalter md Stromabnehmer für die Anode 15 dient Anstelle von Platin können auch andere Katalysatormatorialier vorgesehen sein, beispielsweise kann das Nickelnetz auchmit Raney-Nickel beschichtet sein. Das Metallnetz 16 steht mit ripren- oder wellenförmigen Ausbuchtungen 17 des Yontakth@eches 9 bzv. -im Falle der Brennstoffelemente 2 lig 5 - eines Trennt bleches 6 in Kontakt.The anode 15 consists, for example, of a fine-meshed nickel net (Wire thickness about C, 1 mm), for example with 5 mg platinum / cm2 as a catalyst is layered. A coarse-meshed metal net 16 connects to this anode 15, for example a Niekeletz, which acts as a spacer and current collector for the anode Instead of platinum, other catalyst materials can also be provided e.g. the nickel mesh can also be coated with Raney nickel. The metal net 16 stands with ribbed or wave-shaped bulges 17 of the Yontakth @ eches 9 or -in the case of fuel elements 2 lig 5 - a separating plate 6 in contact.
In den Gasräumen 12 der Brennatoffelemente 1 bis 5 ist jeweils die als Sauerstoffelektrode dienende Kathode 18 vorgesehen. Diese besteht beispielsweise aus pulverförmigem Raney-Silber, das vorteilhaft mit Hilfe eines hydrophilen Bindemittels, beispielsweise eines hydrophilen Kunststofflatex, gebunden sein kann. Auch andere Katalysatormaterialien, beispielsweise mit Silber aktiviertes Kohlepulver, sind geeignet. Durch ein verhältnismäßig feinmaschiges Metallnetz 19, beispielsweise ein Nickelnetz, wird die Kathode 18 an das Asbestdiaphragma 13 angedrückt. Die Kathode 18 ist also als gestützte Elektrode ausgebildet und das Asbestdiaphragma 13 bzw. dessen zentraler Teil fungiert als Deckschicht für die Kathode. Das Metallnetz 19, das gleichzeitig als Stromabnehmer dient, steht wiederum mit rippen- oder wellenförmigen Ausbuchtungen 20 eines Trennbleches 6 bzw. -im Falle des Brennstoffelementes 5 - des Kontaktbleches 9 in Berührung. Die Brennstoffelemente 1 bis 5 sind auf diese Weise elektrisch in Reihe geschaltet.In the gas chambers 12 of the fuel elements 1 to 5 is in each case Cathode 18 serving as an oxygen electrode is provided. This exists, for example made of powdered Raney silver, which is advantageously made with the help of a hydrophilic binder, for example a hydrophilic plastic latex, be bound can. Also other catalyst materials, for example activated with silver Coal powder are suitable. A relatively fine-meshed metal net 19, for example a nickel mesh, the cathode 18 is pressed against the asbestos diaphragm 13. The cathode 18 is thus designed as a supported electrode and the asbestos diaphragm 13 or its central part acts as a cover layer for the cathode. The metal net 19, which also serves as a pantograph, is in turn ribbed or wave-shaped Bulges 20 of a partition plate 6 or - in the case of the fuel element 5 - of the contact plate 9 in contact. The fuel elements 1 to 5 are on this Way electrically connected in series.
Das in jedem der Brennstoffelemente 1 bis 5 vorgesehene Asbestdiaphragma 13 weist eine in der Dicke verstärkte Randzone auf, die aus drei Schichten 21, 22 und 23 besteht. Die mittlere Schicht 22 der verstärkten Randzone bildet die Fortsetzung des zentralen Teiles des Asbestdiaphragmas 15.The asbestos diaphragm provided in each of the fuel elements 1 to 5 13 has an edge zone that is reinforced in terms of thickness and consists of three layers 21, 22 and 23 consists. The middle layer 22 of the reinforced edge zone forms the continuation of the central part of the asbestos diaphragm 15.
Die Fläche des zentralen Teiles entspricht dabei im wesentlichen der Fläche der Elektroden 15 und 18. Die äußere Schicht 21 der Randzone umschließt den Elektrolytraum 11, die äußere Schicht 23 der Randzone den Gasraum 12 des Brennstoffelementes. Bei einem derartigen Aufbau der Randzonen der Asbestdiaphragmen aus drei Schichten kann es zwar aus fertigungstechnischen Gründen zweckmäßig sein, daß auch die mittlere Schicht 22 der verstärkten Randzone, d.h. die die Fortsetzung des zentralen Teiles des Asbestdiaphragmas bildende Schicht, Ionenaustauschermaterial enthält, die beiden äußeren Schichten 21 und 23 dagegen brauchen kein ionenaustauschermaterial aufzuweisen. Die Herstellung der Asbestdiaphragmen kann im übrigen in der Weise erfolgen, wie es in der deutschen Offenlegungsschrift 2 026 220 beschrieben ist.The area of the central part essentially corresponds to that Area of the electrodes 15 and 18. The outer layer 21 of the edge zone encloses the Electrolyte space 11, the outer layer 23 of the edge zone the gas space 12 of the fuel element. With such a structure of the edge zones of the asbestos diaphragms from three layers it may be useful for manufacturing reasons that the middle Layer 22 of the reinforced edge zone, i.e. the continuation of the central part of the asbestos diaphragm-forming layer, containing ion exchange material, the two outer layers 21 and 23, on the other hand, do not need to have any ion exchange material. The asbestos diaphragms can also be produced in the same way as it is described in German Offenlegungsschrift 2,026,220.
Die Randzonen 21 bis 23 der Asbestdiaphragmen 13 sowie die Trennbleche 6 und, soweit erforderlich, die Endplatten 8 und die Kontaktbleche 9 sind mit Löchern versehen, die bei zusammengesetzter Brennstoffbatterie den Batterie stapel durchsetzende Leitungen zur Zu- und Abführung der Betriebsstoffe der Brennstoffbatterie bilden. Der Sauerstoff wird über einen Rohrstutzen 24 einer Leitung zugeführt, die durch Löcher 25 der Randzonen im unteren Bereich der Batterie gebildet wird. Er tritt durch Kanäle 26, die jeweils in den Schichten 23 der Randzonen der Asbestdiaphragmen 13 vorgesehen sind, in die Gasräume 12 der einzelnen Brennstoffelemente ein, durchströmt diese parallel und tritt, soweit er nicht verbraucht ist, durch in den Schichten 23 der Randzonen im oberen Bereich der Batterie vorgesehene weitere Kanäle in eine ebenfalls durch Löcher gebildete Leitung ein und wird durch diese aus der Brennstoffbatterie abgeführt.The edge zones 21 to 23 of the asbestos diaphragms 13 and the separating plates 6 and, if necessary, the end plates 8 and the contact plates 9 have holes provided, the stack enforcing the battery stack when the fuel battery is assembled Form lines for the supply and discharge of the operating materials of the fuel battery. The oxygen is fed via a pipe socket 24 to a line which passes through Holes 25 of the edge zones in the lower region of the battery is formed. He kicks through channels 26, each in the layers 23 of the edge zones of the asbestos diaphragms 13 are provided, flows through into the gas spaces 12 of the individual fuel elements this parallel and, as long as it is not used up, passes through the layers 23 of the edge zones in the upper region of the battery provided further channels into a line also formed by holes and is removed from the fuel battery through them discharged.
Das Elektrolyt/Hydrazin-Gemisch wird durch eine durch Löcher in den Randzonen im unteren Bereich der Batterie gebildete Leitung und über in den.Schichten21 der Randzonen vorgesehene Kanäle parallel den Elektrolyträumen 11 der Brennstoffbatterie zugeführt. Das verbrauchte Gemisch wird durch in den Schichten 21 der Randzonen im oberen Bereich der Batterie vorgesehene Kanäle 27 aus den Elektrolyträumen 11 entfernt und verläßt durch eine Leitung, die durch Löcher 28 gebildet wird, über einen Rohrstutzen 29 die Brennstoffbatterie.The electrolyte / hydrazine mixture is fed through a hole in the Edge zones in the lower area of the battery and over in the layers21 the edge zones provided channels parallel to the electrolyte spaces 11 of the fuel battery fed. The used mixture is through in the layers 21 of the edge zones Channels 27 from the electrolyte chambers 11 provided in the upper region of the battery removed and exits through a conduit formed by holes 28 over a pipe socket 29 the fuel battery.
Betreibt man ein Hydrazin/Sauerstoff-Brennstoffelement (Hydrazin-Elektrode: platiniertes Nickelnetz mit einer Drahtstärke von 0,15 mm und einer Belegung von 5 mg Platin pro cm2; Sauerstoffelektrode aus sedimentiertem Raney-Silber, Belegung: etwa 100 mg Raney-Silber pro 2 m N2H4 als Brennstoff/Elektrolyt-Gemisch (anolyt) bei 20°C, so beträgt bei der Verwendung einer Asbestmembran von 1 mm Dicke und einer Volumenporosität von etwa 25 % der chemische Kurzschlußstrom etwa 10 mA/cm2. Bei einer Belastung von 100 mA/cm2 stellt sich infolge Diffusion von Hydroxylionen durch die Asbestmembran an der Sauerstoffelektrode eine Konzentration von etwa 6 m bis 8 m OH--Ionen ein, d.h. eine im Arbeitsbereich der Sauerstoffelektrode liegende Konzentration. Bei einer Belastung von 10 mA/cm2 stellt sich bei sonst gleichen Bedingungen an der Sauerstoffelektrode eine Konzentration von etwa 3,5 m OH--Ionen ein, der chemische Kurzschluß strom beträgt aber auch in diesem Fall etwa 10 mA/cm2. Dies bedeutet, daß auch bei einer geringen Belastung etwa die gleiche Menge Hydrazin zur Sauerstoffelektrode diffundiert wie bei einer höheren Belastung. Um das Brennstoffelement auch bei niedrigeren Belastungen nutzbringend betreiben zu können, ist demnach die Porosität der verwendeten etwa 1 mm dicken Asbestmembran zu hoch.If a hydrazine / oxygen fuel element is operated (hydrazine electrode: platinum-coated nickel mesh with a wire thickness of 0.15 mm and an assignment of 5 mg platinum per cm2; Oxygen electrode made of sedimented Raney silver, assignment: about 100 mg Raney silver per 2 m N2H4 as a fuel / electrolyte mixture (anolyte) at 20 ° C, when using an asbestos membrane 1 mm thick and one Volume porosity of about 25% of the chemical short-circuit current about 10 mA / cm2. at a load of 100 mA / cm2 arises as a result of diffusion of Hydroxyl ions through the asbestos membrane at the oxygen electrode create a concentration from about 6 m to 8 m OH - ions, i.e. one in the working area of the oxygen electrode lying concentration. With a load of 10 mA / cm2, otherwise under the same conditions at the oxygen electrode a concentration of about 3.5 m OH ions, but the chemical short-circuit current is also in this case about 10 mA / cm2. This means that even with a low load, about the same Amount of hydrazine diffuses to the oxygen electrode as with a higher load. To operate the fuel element usefully even at lower loads to be able to, is therefore the porosity of the approximately 1 mm thick asbestos membrane used too high.
Eine Ionenaustauschermaterial enthaltende Asbestmembran wird beispielsweise in der folgenden Weise hergestellt. Aus 17 g Chrysotilasbest (kanadischer Papi#rasbest), 4,3 g eines handelsüblichen makroporösen, stark sauren Kationenaustauschers aus vernetztem und suloniertem, dvh. Sulfonsäuregruppen aufweisendem, Polystyrol und aus 5 g eines Latex aus Butadien-Styrol-Acrylnitril-Oopolymerisat mit einem Feststoffanteil von etwa 40 Gw.- als Bindemittel wird auf einem Blattbildner eine Asbestmembran mit einem Durchmesser von 320 mm hergestellt. Anschließend wird getrocknet und das Bindemittel bei 13000 (30 Minuten) oder 8000 (14 Stunden) vernetzt. Nachfolgend werden die Nitrilgruppen des Bindemittels durch Behandlung mit 1,5 Xo iger Kalilauge zu Carbon;= gruppen verseift, dann wird neutral gewaschen urd getrocknet.An asbestos membrane containing ion exchange material is, for example made in the following manner. Made from 17 g chrysotile asbestos (Canadian papi # rasbest), 4.3 g of a commercially available macroporous, strongly acidic cation exchanger networked and sulonated, dvh. Sulfonic acid groups, polystyrene and from 5 g of a latex made from butadiene-styrene-acrylonitrile copolymer with a solids content of about 40 wt. as a binder, an asbestos membrane is used on a sheet former manufactured with a diameter of 320 mm. Then it is dried and the Binder crosslinked at 13,000 (30 minutes) or 8,000 (14 hours). Below the nitrile groups of the binder are treated with 1.5% potassium hydroxide solution saponified to carbon = groups, then washed neutral and dried.
Das Ionenaustauschermaterial wird dabei vor der Verwendung folgendermaßen vorbehandelt: Das handelsübliche Material wird mit Wasser versetzt und in einem Mahlgerät zerkleinert; das Mahlgut wird durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 40 ausgesiebt, bei 8000 getrocknet und pulverisiert. Vor der Verwendung läßt man das derart vorbehandelte Material noch etwa 2 Stunden in Wasser quellen.The ion exchange material is used as follows before use pretreated: The commercially available material is mixed with water and in one Grinder crushed; the grist is passed through a sieve with a mesh size of 40 sieved, dried at 8000 and pulverized. Before the use the material pretreated in this way is allowed to swell in water for about 2 hours.
Asbestmembranen, welche auf diese Weise hergestellt werden, haben eine Volumenporosität von etwa 4 bis 5 Vo. Verwendet man diese Membranen in einem Brennstoffelement der beschriebenen Art oder in einer aus derartigen Brennstoffelementen aufgebauten Brennstoffbatterie, so beträgt der chemische Kurzschlußstrom, unabhängig von der Belastung, nur noch etwa 2 bis 3 mA/cm2. Die Verringerung des chemischen Kurzschlußseromes macht sich deshalb insbesondere bei geringen Belastungen in einer Steigerung des Faraday-Wirkungsgrades bemerkbar.Asbestos membranes made in this way have a volume porosity of about 4 to 5 Vo. If you use these membranes in one Fuel element of the type described or in one of such fuel elements built-up fuel battery, the chemical short-circuit current is independent from the load, only about 2 to 3 mA / cm2. Reducing the chemical Short-circuit seromes therefore make themselves in one particularly with low loads Noticeable increase in Faraday efficiency.
5 Patentansprüche 1 Figur5 claims 1 figure
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19742445380 DE2445380A1 (en) | 1974-09-23 | 1974-09-23 | Hydrazine-oxygen fuel cells for small power outputs - using porous asbestos membrane contg. ion-exchange material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19742445380 DE2445380A1 (en) | 1974-09-23 | 1974-09-23 | Hydrazine-oxygen fuel cells for small power outputs - using porous asbestos membrane contg. ion-exchange material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2445380A1 true DE2445380A1 (en) | 1976-04-08 |
Family
ID=5926508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19742445380 Pending DE2445380A1 (en) | 1974-09-23 | 1974-09-23 | Hydrazine-oxygen fuel cells for small power outputs - using porous asbestos membrane contg. ion-exchange material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE2445380A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1990004858A1 (en) * | 1988-10-27 | 1990-05-03 | Hughes Aircraft Company | Method for forming a gas-permeable and ion-permeable membrane |
| WO1993006626A1 (en) * | 1991-09-17 | 1993-04-01 | Unisearch Limited | Permeation selective separators and processes for making such separators |
-
1974
- 1974-09-23 DE DE19742445380 patent/DE2445380A1/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1990004858A1 (en) * | 1988-10-27 | 1990-05-03 | Hughes Aircraft Company | Method for forming a gas-permeable and ion-permeable membrane |
| GR890100667A (en) * | 1988-10-27 | 1990-11-29 | Hughes Aircraft Co | Method for the formulation of a membrane permeable by air and ions |
| WO1993006626A1 (en) * | 1991-09-17 | 1993-04-01 | Unisearch Limited | Permeation selective separators and processes for making such separators |
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