CH406336A - Brennstoffzelle - Google Patents

Description

  Brennstoffzelle    Neben den seit langem bekannten galvanischen  Zellen, deren stromliefernder Vorgang die meist re  versible Änderung der Oxydationsstufe von Metal  len ist, gibt es ferner die sogenannten Brennstoff  zellen, die mit festen, flüssigen oder     gasförmigen     Brennstoffen betrieben werden können. Der Wir  kungsgrad dieser Brennstoffzellen     äst    wesentlich hö  her als der von     Wärmekraftmaschinen    und erreicht  im allgemeinen Werte bis. zu 70 %.

   Intensiv bearbeitet  wurde bisher insbesondere das Kohle- sowie das       Knallgaselement.    Die technischen und     wirtschaftli-          chen    Schwierigkeiten, bedingt durch die Notwendig  keit hoher Temperaturen, hoher Drücke, teurer Elek  troden usw., sind in beiden Fällen erheblich und noch  keineswegs     überwunden,    so dass diesen     Elementen     bis heute keine weitreichende wirtschaftliche Bedeu  tung zukommt.  



  Es wurde nun gefunden, dass ein     brauchbares     Element auf der Zersetzung von     Natriumamalgam     bzw. der Oxydation von     Natriummetall    als strom  lieferndem Vorgang aufgebaut werden kann. Die  Reaktionsgleichung für das Element lautet:  Na + OH- + H     +        --#.        NaOH    + 1/2 H2  oder bei Gegenwart von Sauerstoff (Sauerstoff  elektrode):  2 Na + 2     H,    + 2 OH- + 1/2 02     .-@    2     NaOH    + 1120.

    Der Brennstoff dieser Zelle ist, wie bereits ge  sagt, Natrium in Form des Amalgams, während als  Oxydationsmittel bzw. als     Lieferant        der    benötigten       Hydroxylionen    Wasser oder Sauerstoff dient. Das  Oxydationsmittel tritt dabei jedoch nicht     direkt    mit  dem Natrium in Berührung, sondern über .ein die  Reaktionsgeschwindigkeit regulierendes Medium in  Form .eines niederen     aliphatischen    Alkohols.

   Die       erfindungsgemässe    Zelle     umfasst        eine    Kathode aus         Natriumamalgam,    eine     Graphitanode    und als Elek  trolyten einen einen     Initiator    enthaltenden niederen       aliphatischen    Alkohol. Gegebenenfalls kann ein den  Anodenraum begrenzendes     Diaphragma    vorgesehen  sein.  



  Im folgenden wird die Erfindung an Hand der  beiliegenden Zeichnung beispielsweise     näher    erläu  tert:  In     Fig.    1 wird eine Zelle vom Laboratoriums  massstab     veranschaulicht.    In einem Glasgefäss 1 von  50 mm Durchmesser ist ein     Diaphragma    2 aus ge  branntem Ton von 40 mm Durchmesser, 100 mm  Höhe und 3-5 mm Wandstärke so eingelassen, dass  seine Unterseite .einen Abstand von etwa 5 mm vom  Gefässboden besitzt.

   Der Zwischenraum zwischen  Glasgefäss und     Tondiaphragma    ist mit     Natr'umamal-          gam    3 gefüllt, dessen     Natriumgehalt    1     Gew.%        nicht     übersteigen sollte. Der durch das     Diaphrama    gebil  dete Anodenraum 4 ist mit einer     Graphitanode    5  von 20 mm     Durchmesser    versehen und     mit    Methanol,  das geringe Mengen Wasser enthält, aufgefüllt. Der       Stromfluss    wird mit     Hilfe    eines     Initiators    ausgelöst  (z.

   B. 1,0 mg     Wasserstoffperoxyd).        Im    weiteren Ver  lauf     des    Verfahrens     ermöglicht    das     intermediär    ent  stehende     Natriumethylat    anstelle des Initiators den       Stromtransport.    Die Spannung der Zelle beträgt rund  2 Volt,     säe        liefert    pro g Natrium etwa 2     W/h.    Die  Leistung einer derartigen Zelle pro Fläche und Volu  meneinheit kann durch Zusatz von 15-30 % Wasser  stoffperoxyd erheblich gesteigert werden.

   In der vor  stehend     beschriebenen    Zelle werden ferner 0,001     m3          Wasserstoff    pro g Natrium gebildet. Bei Anwendung  einer     Sauerstoffelektrode    entfällt selbstverständlich  die     Wasserstoffbildung.     



  Beim Betrieb der Zelle wird das     Natrium    ver  braucht, und zwar entsteht     einerseits    aus dem Amal  gam reines Quecksilber,     anderseits        kombiniert    sich      das Natrium mit dem Methanol zum     Alkoholat.     Durch das im Methanol vorhandene Wasser ent  steht in einer Sekundärreaktion     NaOH,    während der  Methylalkohol     zurückgebildet        wird.    Somit werden  beim Betrieb der Zelle nur Natrium     und    Wasser ver  braucht, wogegen sich :das Methanol ständig regene  riert;

   auf dem     Diaphragmabogen        sammelt    sich kri  stallines     Natriumhydroxyd.    Verwendet man diese  Zelle als     Sekundärzelle        einer        Chloralkali-Elektrolyse     zur Rückgewinnung von Strom, so ergibt sich gegen  über den bisher bekannten Verfahren zur Nutzung  der Zersetzungsenergie des Amalgams als besonderer       Vortzil,    dass das     Natriumhydroxyd    nicht in wässriger  Lösung,     sondern    kristallin anfällt.

   Die     beschriebene     Zelle erspart somit zusätzlich zu ihrer hohen Energie  ausbeute die Kosten für die     Eindampfung    der Na  tronlauge.  



  Bei der Übersetzung in den technischen Massstab  werden     eine    Reihe von Zellen in an     sich    bekannter  Weise in Serie geschaltet, wie z. B. :aus     Fig.    2 er  sichtlich. Wie aus dieser Zeichnung zu ersehen, wird  das Quecksilber in einem     Behälter    11 hochgepumpt,  in diesem durch einfaches     Beimischen    von metalli  schem Natrium amalgamiert und von dort aus über  den Verteiler 12 auf die Zellen verteilt, und zwar  derartig, dass jeweils nur eine Zelle in derselben Zeit  mit Amalgam gespeist wird. Diese Massnahme ist  notwendig, da die     Serienschaltung    ansonsten kurz  geschlossen würde.  



  Die Zellen 13, 13', 13" usw. verarbeiten das  Amalgam und geben     anschliessend    das reine Queck  silber über ein Sammelrohr 15     zu    der Quecksilber  pumpe. Zuvor passiert das Quecksilber zwecks  Spannungsunterbrechung einen Unterbrecher 14, der  z. B. in Form eines     Schaufelrades    aus Kunststoff  ausgebildet sein kann. Andernfalls     können    die Zellen  zwecks Spannungserhöhung nicht in Serie     geschaltet     werden. Das vom Natrium befreite     Quecksilber        wird     von der Zahnradpumpe 16 sodann wieder zur     Amal-          gamierung    hochgepumpt.  



  Für die     Anodenflüssigkeit    bzw. den     Alkohol     existiert eine eigene Pumpe und     NaOH-Kläranlage,     die nur von Zeit zu Zeit in Betrieb gesetzt werden  muss, um das kristallisierte     NaOH    vom     Diaphrag-          maboden    zu entfernen.  



  Schaltet man     drei    Zellen der     beschriebenen    Art  in Serie, so wird mit 10 g Natrium ein Elektromotor    von 6 Volt und 0,2     Amp.    über 20 Stunden in Dauer  betrieb gehalten, wobei noch ein entsprechender An  teil Wasserstoff erhalten wird, der einer weiteren  Verwertung zugänglich gemacht werden kann.  



  Die beschriebene Zelle und das damit     durchführ-          bare    Betriebsverfahren sind zur Erzeugung von elek  trischer Energie in jedem     beliebigen    Massstab geeignet  und die bei der     übertragung    z. B. in den grosstechni  schen Massstab zur ständigen Energieerzeugung er  forderlichen Massnahmen sind dem Fachmann ge  läufig. Der Raumbedarf der Zelle ist gering; es  lassen sich     Leistungen/Volumeneinheit    von der  Grössenordnung von 30     kW/m3    erzielen.  



  Das     Diaphragma    kann in der beschriebenen Zelle  auch entfallen. In     diesem    Falle wird beispielsweise  bei Vorhandensein von Luft oder Sauerstoff in einer  flachen Zelle als Anode eine poröse und vielfach  eingekerbte     Graphitplatte    verwendet und vertikal in  einem flachen Glas- oder Kunststoffgehäuse einge  bettet     .(s.        Fig.    3). Die Anode wird von dem direkten  Kontakt     reit    dem Amalgam durch ein geschlossenes  Textilgewebe geschützt.

   Bei einer Anordnung gemäss       Fig.    3     (Fig.    3 stellt eine Draufsicht in 10facher  Vergrösserung dar), in der 21 das Amalgam, 22 das       Textilgewebe,    23 die     Graphitanode    und 24 den  Elektrolyten bezeichnet, beträgt die Leistung etwa  30     mA/cm2.     



  Unter Anwendung eines Alkohols bzw.     Alkoholau     als Elektrolyten lassen sich auch Metalle, die  edler sind als Wasserstoff, wie z. B. Aluminium,  Zink oder dergleichen, als     Generatorenbrennstoff    ver  wenden, wobei sowohl mit als auch ohne     Diaphragma     gearbeitet werden kann.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch eine Ka thode aus Natriumamalgam, eine Graphitanode und einen Elektrolyten in Form eines einen Initiator enthaltenden niederen,aliphatischen Alkohols. UNTERANSPRUCH Brennstoffzelle gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein den Anodenraum begren zendes Tondiaphragma aufweist und als Elektrolyten Methanol enthält.