Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Gas, welches teilweise oder ganz aus einer oder mehreren Wasserstoffverbindungen besteht.
Die direkte Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie ist Gegenstand intensiver Forschung. Im allgemeinen wird eine Oxydations-Reduktionsreaktion in einer Zelle ausgeführt, welche mit im Abstand voneinander angeordneten Elektroden und einem dazwischenliegenden Elektrolyten versehen ist, wobei die Elektroden an den äusseren Verbraucherstromkreis angeschlossen sind. Auf diese Weise ist es möglich, elektrochemisch den grössten Teil der Energie einer chemischen Reaktion zwischen den betreffenden, direkt an die Elektroden geleiteten Reaktionspartnern direkt in elektrische Energie zur Verwendung in dem äusseren Stromkreis umzuwandeln.
Es sind zwar für derartige Brennstoffzellen schon andere Brennstoffe als Wasserstoff vorgeschlagen worden, jedoch ist Wasserstoff ein bevorzugter Brennstoff und wird im allgemeinen mit Sauerstoff als Reaktionspartner verwendet, der etwa der Luft entnommen wird, wobei diese beiden Reaktionspartner jeweils an die Anode bzw. Kathode der Brennstoffzelle geleitet werden.
Es sind verschiedene Techniken vorgeschlagen worden, um kontinuierlich Wasserstoff für die Verwendung in Brennstoffzellen zu erzeugen, unter anderem die elektrochemische Vorrichtung nach der US-Patentschrift 3 092 516 vom 6. Mai 1960 und eine integrierte katalytische Umwandlung nach der US-Patentschrift 3 177 097 vom 29. September 1960. Es sind auch katalytische Dehydrierverfahren für hohe und mittlere Temperaturen entwickelt worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Umwandeln wasserstoffhaltiger Brennstoffe in Wasserstoff zu schaffen, welche sich bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen betreiben lässt und leicht mit einer Brennstoffzelle verbindbar ist.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung einer äusserst kompakten elektrochemischen Wandlerzelle für wasserstoffhaltige Brennstoffe, die sich leicht herstellen lässt und verhältnismässig frei von Betriebsschwierigkeiten ist. Die Vorrichtung nach der Erfindung stellt eine verhältnismässig kompakte und wirksame Brennstoffzellenanordnung dar, die mit einer elektrochemischen Wandlerzelle eine Einheit bildet.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer Wandlerzelle nach der Erfindung;
Figur 2 zeigt den Elektrodenbereich der Vorrichtung nach Figur 1 und
Figur 3 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung mit einer zu einer Einheit verbundenen elektrolytischen Wandlerzelle.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas, welches einen Brennstoff darstellt und teilweise oder ganz aus einer oder mehreren Wasserstoffverbindungen besteht, in einem Brennstoffwandler in Berührung mit einer Anode gebracht wird, an welcher aus dem Brennstoff unter Wirkung eines Dehydrierkatalysators Wasserstoffionen gebildet werden, dass die Wasserstoffionen durch ein poröses Teil, der mit einem Elektrolyten getränkt ist, an eine Kathode des Brennstoffwandlers geleitet werden, welche die Wasserstoffionen absorbiert und katalytisch in Wasserstoff überführt, dass der so gebildete Wasserstoff von der Kathode des Brennstoffwandlers aus an die Anode einer Brennstoffzelle geleitet wird, die in Berührung mit einem alkalischen Elektrolyten steht und mit Abstand von der Kathode der Brennstoffzelle angeordnet ist,
dass Sauerstoff in Berührung mit der Kathode der Brennstoffzelle gebracht wird, um Hydroylionen an dieser in dem alkalischen Elektrolyten zu erzeugen, und dass die Anode des Brennstoffwandlers und die Kathode der Brennstoffzelle durch einen äusseren Verbraucherstromkreis miteinander verbunden sind, wobei durch die Oxydationsreaktion an der Anode der Brennstoffzelle die elektrische Energie des Verbraucherkreises auftritt, wobei eine äussere Stromquelle mit der Kathode des Brennstoffwandlers oder der Anode der Brennstoffzelle einerseits und mit der Anode des Brennstoffwandlers oder der Kathode der Brennstoffzelle andererseits verbunden ist, und der so gebildete Stromkreis dazu dient, die Wasserstoffverluste in dem System zu kompensieren.
Es sind zwar schon verschiedene Strukturen zur Herstellung von Anoden und Kathoden für Wandlerzellen verwen det worden, jedoch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein elektrisch leitendes Metallgitter zu verwenden, welches mit einer geeigneten Katalysatormischung beschichtet ist, so dass der Katalysator zwischen den Drähten liegt. Auf diese Weise kann der Strom leicht überall hingelangen und die Struktur ermöglicht einen leichten Abfluss der Wasserstoffionen, die aufgrund der Dehydrierreaktion gebildet werden, in den Elektrolyten an der Anode und aus dem Elektrolyten an die Kathode. Um eine Durchtränkung der Elektrode durch den Elektrolyten zu vermeiden, ist das Gitter vorzugsweise mit einem wasserstoffabstossenden Material behandelt, etwa mit einem Tetrafluoräthylenharz.
Es lasse sich natürlich auch andere Strukturen bei der Herstellung von Anoden verwenden, etwa Metallelemente, die von sich aus für Gase durchlässig sind, wie z. B. die Elektrodenstruktur nach der US-Patentschrift 2 928 783 vom 21. August 1957, oder perforierte Elektroden, die den Durchtritt des Gases ermöglichen. Das Metall kann von sich aus katalytisch wirken, wie etwa Palladium und Platin, undioder kann oberflächenbehandelt oder beschichtet sein, so dass es die gewünschte katalytische Wirkung aufweist.
Eine hochwirksame und störungsfrei arbeitende Anordnung erhält man bei Verwendung eines porösen, absorbierenden Teiles, welches mit einem Elektrolyten getränkt wird, bevor er mit den Anoden zu einer Zelle zusammengesetzt wird, so dass ein Leitpfad zwischen der Anode und der Kathode hergestellt wird. Hierfür lassen sich verschiedene Materialien verwenden, jedoch werden bevorzugt Matten aus anorganischen Fasern, etwa aus Quarz- oder Glasfasern, welche verhältnismässig inert gegenüber dem Stromfluss und dem Elektrolyten sind, verwendet Diese Matten können verschieden dick sein, haben jedoch meistens eine Dicke zwischen 127 und 1525 Mikron und vorzugsweise zwischen 254 und 762 Mikron, um zu gewährleisten, dass eine genügende Elektrolytmenge vorhanden ist, ohne dass der Widerstand derselben übermässig gross ist.
Die Porosität kann ebenfalls verschieden gross sein, jedoch ist eine hohe Porosität, die noch eine angemessene Festigkeit und Rückhaltevermögen zeigt, im allgemeinen vorteilhaft, um eine richtige Elektrolytmenge für einen wirksamen Durchgang der Wasserstoffionen durch diese bereitzustellen. Im allgemeinen liegt die Porosität der Füllstoffteile zwischen 30 und 75010, vorzugsweise zwischen 45 und 50%.
Um eine feste, elektrisch leitende Berührung zwischen einem derartigen Füllstoffteil und der Anode und Kathode zu schaffen, werden vorzugsweise aus Kunststoff hergestellte Druckplatten verwendet, die derart angeordnet sind, dass sie gegen die äusseren Oberflächen der Anode und der Kathode drücken, wobei jedoch Durchströmmöglichkeiten für das mit der Anode und der Kathode in Berührung kommende Gas geschaffen sind. Diese Durchströmmöglichkeiten ergeben sich etwa durch Riffelung der Oberflächen der Platten oder durch Öffnungen in denselben oder auch durch Kombinationen dieser Möglichkeiten, je nach der Konfigura- tion der bei einem bestimmten Wandler verwendeten Anordnung.
Für die Speisung des Wandlers lassen sich verschiedene gasförmige Brennstoffe verwenden, um Wasserstoff zu erzeugen, und zwar etwa gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe, oxygenierte organische Stoffe, wie Alkohole und Ammoniak. Der verwendete Elektrolyt hängt natürlich von dem gewählten Brennstoff ab, ebenso wie die Beschaffenheit des verwendeten Katalysators.
Die in einer Wandlerzelle bei Verwendung eines Kohlenwasserstoffs als Brennstoff auftretende Reaktion lässt sich leicht anhand der folgenden Gleichungen verstehen.
C2H6 + 4H2O #- 2CO2 + 14H+ + 14e- (Anode)
14H+ + 14e- --- 7H2 (Kathode)
Im allgemeinen ist lediglich eine kleine Potentialdifferenz erforderlich, um die gewünschte Reaktion zu erzeugen, z. B. 180 bis 400 Millivolt, vorzugsweise 200 bis 300 Millivolt.
Die Stromdichte hängt dabei von dem verwendeten Potential ab und liegt zwischen 50 und 150 mA1cm2.
Die Wandlerzelle nach der Erfindung lässt sich mit einer Brennstoffzelle zusammenbauen, so dass sich wesentliche Vorteile in bezug auf die Kompaktheit und die Bedienungsvereinfachung ergeben. Bei einer derartigen Brennstoffzellenanordnung sind ein Paar Elektroden für eine übliche Brennstoffreaktion an gegenüberliegenden Seiten der Kathode der Wandlerzelle angeordnet und ein passender alkalischer Elektrolyt dazwischen eingefüllt.
Das an der Kathode der Kohlenwasserstoffelektrodenanordnung entwickelte Gas gelangt direkt in Berührung mit der Anode der Brennstoffzellen, wo es Elektronen abgibt und Wasserstoffionen in dem alkalischen Elektrolyten bildet, die mit den Hydroxylionen reagieren, welche durch die Sauerstoffreaktion an der Brennstoffzellenanode gebildet wurden. Die Kathode des Brennstoffzellenbereichs und die Anode des Wandlerbereichs sind durch einen äusseren Stromkreis gekuppelt, von welchem Stromkreis die durch die Reaktionen erzeugte Leistung abgenommen werden kann. An die Wandlerkathode ist ein Sekundärstromkreis angeschaltet, um einen kleinen Strom aufzunehmen, der zum Kompensieren des Wasserstoffverlustes dient.
Der Strom dafür wird entweder aus einer besonderen Stromquelle, etwa einer Batterie, oder durch Nebenschluss zu der von einer Anzahl in Serie geschalteten Zellenanordnungen erzeugten elektrischen Energie gewonnen. Das für die Kohlenwasserstoffumwandlung zum Ersetzen des Wasserstoffverlustes erforderliche Potential ist weit geringer als das durch die Oxydationsreaktion in der Brennstoffzelle erzeugte, so dass ein beträchtlicher Leistungsüberschuss vorhanden ist, der sich für die Umwandlungsreaktionen weiterer Brennstoffzellenanordnungen oder zum Betreiben zusätzlicher Einrichtungen verwenden lässt.
Wenn keine äussere Stromquelle zwischen der Anode und der Kathode des Brennstoffwandlers vorhanden ist, erzeugt der Elektronenverlust des Wasserstoffs an der Kathode oder Brennstoffzellenanode durch Verbrauch von Wasserstoff durch Verunreinigungen einen Leckstrom in dem elektrischen Kreis und letztlich eine Zerstörung des Systems. Da dieser Verlust sich anhäuft, lässt sich die zerstörende Wirkung durch einen kleinen äusseren Strom vermeiden und auf diese Weise ein kontinuierlicher Betrieb über lange Zeit aufrechterhalten. Praktisch hat sich gezeigt, dass ein Sekundärstrom von 0,1 bis 3 mA/cm2 zur Kathode bei einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Stromdichte von 60 bis 500 mA/cm2 und einer Ausgangsspannung von 0,7 bis 0,8 Volt bei 100 mA/cm2 ausreicht.
In der kombinierten Brennstoffzelle mit Brennstoffwand ler laufen folgende Reaktionen ab:
C2H6 + 4H2O ---- 2CO2 + 14H+ + 14e- (Anoden)
14H+ + 14e- --- 7H2 (Kathode)
7H2 + 140H- --- 7H2O + 14e- (Brennstoffzellenanode)
7H2O + 7/202 + 14e-- 140H (Brennstoffzellenkathode)
Die Brennstoffzellenanode ist als Kathode mit der Se kundärspannungsquelle verbunden, um die durch Verunreini gungen in dieser entstehenden Wasserstoffverluste auszu gleichen und um den inneren Stromkreis zwischen der
Brennstoffzellenkathode und der Brennstoffwandleranode zu vervollständigen.
Statt Elektronen an die Wandlerkathode zu liefern, lassen sich die Wasserstoffverluste auch dadurch ausgleichen, dass ein Sekundärstromkreis von der Brenn stoffzellenanode zur Kathode hergestellt wird, wobei die
Brennstoffzellenanode als Kathode des Sekundärstromkrei ses dient und dadurch den Wasserstoffverlust reduziert, wobei lediglich eine kleine Verringerung der Ausgangslei stung des Verbraucherstromkreises auftritt, da nur geringe
Sekundärströme erforderlich sind.
Um den Ausgang der Brennstoffzelle als Stromquelle für den Sekundärkreis zu verwenden, werden eine Anzahl
Brennstoffzellenanordnungen in Serie geschaltet und der
Strom für alle bis auf die erste, d. h. am höchsten negative
Zelle, durch einen Widerstand geshuntet. Die erste Zelle in dieser Serienschaltung benötigt natürlich dann immer noch eine andere Stromquelle als die Serienschaltung der Zellen.
Um den Strom für die am höchsten negative Zelle in einer grossen Anzahl von Brennstoffzellenanordnungen bereitzu stellen, kann eine unabhängige Brennstoffzelle verwendet werden.
Baconkathoden mit zwei Schichten aus porösem Nickel, wie sie gewöhnlich in Brennstoffzellen verwendet werden, sind im einzelnen in der US-Patentschrift 2 928 783 beschrieben. Danach sollte die Sauerstoffkathode oxydiert sein, um einen korrosionsbeständigen Überzug zu erzielen. Die feinporige Schicht verhindert das blasenförmige Aufsteigen der Gase in den Elektrolyten und die Gase auf der gegenüberliegenden Seite verhindern, dass Elektrolyt durch die grobporige Schicht eindringt. In die porösen Schichten sind Katalysatoren eingebracht, um die an diesen auftretenden Reaktionen katalytisch zu beeinflussen.
Im allgemeinen werden Wandlerzellen und Brennstoffzel- lenanordnungen nach der Erfindung bei Temperaturen von 25 bis 250 C, vorzugsweise von 130 bis 170 0C betrieben.
Die angewendeten Drücke liegen zwischen 1 bis 5 und vorzugsweise zwischen 1 bis 6 Atmosphären.
Die Kombination eines Brennstoffwandlers mit einer Brennstoffzelle ergibt eine verhältnismässig kompakte Anordnung, die sich direkt zur Ausnutzung des in dem Brennstoffwandler erzeugten Wasserstoffs in der Anordnung verwenden lässt. Da der äussere Stromkreis über den Verbraucher zwischen der Anode des Brennstoffwandlers und der Kathode der Brennstoffzelle geschlossen ist, ist gemäss der Erfindung für eine zuverlässige Kompensation des Wasserstoffverlustes in dem System gesorgt, so dass keine zerstörende Wirkung auftritt. Die Sekundärspannungsquelle für diese Kompensation ist an die Kathode des Brennstoffwandlers oder die Anode der Brennstoffzelle einerseits und an die Anode des Brennstoffwandlers oder die Kathode der Brennstoffzelle andererseits angeschlossen.
Die ausgewählte Elektrode bildet die Kathode in dem Sekundärstromkreis zur Kompensierung des Wasserstoffverlustes in der Zellenanordnung, wobei entweder in dem Wandlerbereich durch die Kupplung der Kohlenwasserstoffanode und der Kathode mehr Wasserstoff erzeugt wird oder durch Verringern der Ausgangsspannung der Zelle durch den äusseren Verbraucher und daher durch die Kupplung der Brennstoffzellenkathode in den Sekundärstromkreis als Anode.
Figur 1 zeigt eine Wandlerzelle nach der Erfindung unter Verwendung einer Elektrodenanordnung, die in Figur 2 am deutlichsten dargestellt ist. Bei dieser Vorrichtung ist ein poröses Teil 2 mit einem Elektrolyten gesättigt und grenzt an einer Seite an eine Anode 4 aus einem leitfähigen Metalldrahtgitter an, welches mit einem Dehydrierkatalysator beschichtet ist, und an der anderen Seite an eine Kathode 6 in Form eines leitenden Drahtgitters, das ebenfalls mit einem Katalysator beschichtet ist. Ferner sind Andrückplatten 8, 10 aus Kunststoff vorgesehen, welche Längsnuten 12 aufweisen und gegen die äusseren Oberflächen der Elektroden 4, 6 gelegt sind, so dass diese fest gegen das Teil 2 gedrückt werden, jedoch die reagierenden Gase und die aus der Reaktion resultierenden Gase von den Elektroden entweichen können.
Die Elektrodenanordnung nach Figur 2 ist in einem in Figur 1 dargestellten Gehäuse untergebracht, welches die Gehäuseplatten 14, 16 umfasst, die durch mit Gewinde versehene Befestigungsvorrichtungen, etwa Bolzen (nicht dargestellt) miteinander verbunden sind und mit Metallfittingen 18, 20, 22 und 24 an den Enden der Elektrodenanordnung versehen sind, wobei diese Fittigne Kunststoffrohre 26 enthalten. Ausserhalb der Andrückplatten 8, 10 sind Kunststoffplatten 28, 30 vorgesehen, welche Öffnungen 32 aufweisen, die für die Fittinge 18, 20, 22 und 24 passen. Die Elektrodenanordnung wird in Öffnungen in den Stirnplatten 34, 36 und den Abstandsplatten 40 aufgenommen, welche sämtlich aus Kunststoff hergestellt sind.
Wie aus Figur 1 zu erkennen ist, ist das Matrixteil 2 länger als die Elektroden 4, 6, und die Öffnungen in den Stirnplatten 34, 36 sind grösser als die An drückplatten 8, 10, so dass Kammern 42, 44, 46 und 48 an den Enden der Elektroden 4, 6 gebildet sind, welche wiederum mit den Rohren 26 durch die Öffnungen 32 verbunden sind. An die Elektroden 4, 6 sind durch die Stirnplatten 34, 36 hindurch elektrische Leitungen 50, 52 angeschaltet, um einen elektrischen Stromkreis mit einer Stromquelle (nicht dargestellt) zu bilden.
Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird eine Mischung von gasförmigem Kohlenwasserstoff und Dampf in das Rohr 26 des Fittings 18 eingeleitet und gelangt in die Kammer 42, von wo sie durch die Nuten 12 der Andrückplatte 8 längs der Oberfläche der Anode 4 in Berührung mit dem darin befindlichen Katalysator kommt. Unter dem Einfluss desselben und eines elektrischen Stromes tritt eine Reaktion ein, bei der Kohlenwasserstoff und Dampf in Wasserstoffionen und Kohlendioxyd umgewandelt werden.
Der nicht an der Reaktion beteiligte Kohlenwasserstoff und Dampf sowie das resultierende Kohlendioxyd gelangen dann durch die Nuten 12 in die Kammer 44 und über das Rohr 26 in dem Fitting 20 nach aussen, während die erzeugten Wasserstoffionen und etwas feuchter Dampf durch das Füllstoffteil 2 in Berührung mit dem Katalysator der elektrisch angeschlossenen Kathode 6 kommen und dort unter Aufnahme von Elektronen molekularen Wasserstoff bilden. Dieses Wasserstoffgas gelangt dann durch Nuten 12 in der Andrückplatte 10 in die Kammern 46, 48, an deren Enden und sodann über die Leitung 26 in dem Fitting 20 nach aussen, während die erzeugten Wasserstoffionen mit etwas nassem Dampf durch das Füllstoffteil 2 in Berührung mit dem Katalysator der Kathode 6 kommen, wo sie Elektronen aufnehmen und molekularen Wasserstoff bilden.
Das erzeugte Wasserstoffgas gelangt dann über die Nuten 12 in der Andrückplatte 10 in die Kammern 46, 48, an die Enden derselben und sodann über die Leitungen 26 in den Fittingen 22, 24 nach aussen an einen geeigneten Anschluss, um entweder unmittelbar in einer Brennstoffzelle oder dergleichen oder in einer Sammelvorrichtung verwendet bzw. aufbewahrt zu werden.
Figur 3 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung mit Wandler, die ein Gehäuse 60 umfasst sowie eine Deckplatte 62, in der sich Fittinge 64, 66, 68 und 70 befinden, die Kunststoffrohre 72 aufnehmen. Im linken Bereich der Zeichnung ist eine Elektrodenanordnung 74 ähnlich der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 zu erkennen. Wie bei der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform umfasst diese ein poröses Füllstoffteil 76 mit einem Drahtgitter als Anode 78, das mit einem Dehydrierkatalysator bestrichen ist, und mit einer schirmförmigen Kathode 80, die ebenfalls mit einem Katalysator bestrichen ist.
Die Anode 78 und die Kathode 80 sind durch Druckplatten 82, 84 gegen das Füllstoffteil 76 gedrückt, und diese Druckplatten sind nicht nur mit vertikalen Nuten 86 versehen, sondern auch mit horizontalen Nuten 87 und Öffnungen 88, die sich über die Dicke der Andrückplatten erstrecken und ein Durchströmen des Elektrolyten undloder der Gase ermöglichen. Die Elektroden 78, 80 sind gegenüber dem Gehäuse 60 durch Abstandstücke 89 isoliert und stehen in Verbindung mit Leitungen 90, 92 für den Anschluss an eine passende Stromquelle. Zwischen den Fittingen 64 und 66 ist eine Blendenplatte 98 angeordnet, deren unteres Ende offen ist, so dass eine Strömung von der Anode 78 und sodann über den Fitting 64 nach aussen verlaufen kann.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Kathode ist im Abstand und durch Abstandstücke 99 vom Gehäuse 60 isoliert eine poröse Elektrode 100 angeordnet, welche eine feinporöse Schicht 102 und eine grobporöse Schicht 104 mit einer Katalysatorimprägnation umfasst. Die feinporöse Schicht kann entweder leitend oder nichtleitend sein, die grobporöse Schicht 104 jedoch ist elektrisch leitend und weist eine Zuleitung 106 auf. Daher ist die Elektrode 100 intern elektrisch mit der Kohlenwasserstoffkathode 80 verbunden und daher auch mittels der Kohlenwasserstoffanode 78 über den Sekundärstromkreis, in den diese eingeschaltet ist.
Der Abstand zwischen der Elektrodenanordnung 74 und der Elektrode 100 begrenzt ein Abteil 108, der keinen Elektrolyten aufweist und dessen Zweck weiter unten noch näher erläutert ist.
Im Abstand von der Elektrode 100 ist eine ähnliche ausgebildete poröse Elektrode 110 angeordnet, welche beiden
Elektroden zusammen ein Abteil 109 bilden, und welch letztere eine feinporige Schicht 112 und eine grobporige Schicht 114 mit einer Katalysatorimprägnation umfasst. Ferner sind Abstandstücke 115 und eine Zuleitung 116 für die grobporige Schicht 114 vorgesehen, und in dem Abteil 109 zwischen den Elektroden 100, 110 ist ein alkalischer Elektrolyt 118 eingefüllt. Zwischen der Elektrode 110 und dem Gehäuse 60 ist ein Abteil 120 begrenzt, welches durch eine Trennwand 122 unterteilt ist, die am Bodenende offen ist und zwischen den Fittingen 68 und 70 angeordnet ist.
Zum Betrieb dieser Vorrichtung wird eine gasförmige
Mischung aus Kohlenwasserstoff und Dampf durch die Lei tung 72 in dem Fitting 66 in das Abteil 96 eingeleitet und ge langt über die Nuten 86 und 87 und die Öffnungen 88 in Be rührung mit der Anode 78, an der es unter dem Einfluss des
Stromes und des Katalysators zu Wasserstoffionen und Koh lendioxyd umgesetzt wird. Der nicht an der Reaktion betei ligt gewesene Dampf und Kohlenwasserstoff sowie das
Reaktionsprodukt Kohlendioxyd gelangen dann durch die mit einer Öffnung versehene Trennwand 98 und durch das
Rohr 72 in dem Fitting 64 nach aussen. Die Wasserstoffio nen durchqueren den Elektrolyten des Füllstoffteiles 76 und kommen mit der Kathode 80 in Berührung, wo sie Elektro nen aufnehmen und zu molekularem Wasserstoff elektrisch neutralisiert werden, der das Abteil 108 ausfüllt.
Sobald der molekulare Wasserstoff in Berührung mit der katalytischen, grobporigen Schicht 104 der Elektrode 100 kommt, gibt er Elektronen ab und gelangt durch die feinpo rige Schicht 102 in den Elektrolyten 118. Die Wasserstoffio nen reagieren mit den an der Elektrode 110 gebildeten Hy droxylionen und bilden Wasser. An die Elektrode 110 wird zu diesem Zweck Sauerstoff in Form von Luft geleitet, und zwar über die Leitung 72 in dem Fitting 68, der dann in die
Poren der katalytisch aktiven, grobporigen Schicht 114 gelangt. Nassdampf und nicht an der Reaktion beteiligte Luft gelangt dann durch die Öffnungen in der Trennwand 122 über das Rohr 72 in dem Fitting 70 nach aussen. Das sich in dem Abteil 112 ansammelnde Wasser wird über einen absperrbaren Hahn (nicht dargestellt) abgeführt.
Zwischen Anode und Kathode der Elektrodenanordnung 74 ist ein geringes Potential angelegt, um die Umwandlung von Kohlenwasserstoff in Wasserstoffgas zu fördern, welches als Brennstoff für die Brennstoffzelle dient. Die Reaktion findet statt zwischen dem durch die Umwandlung erzeugten Wasserstoff und dem Sauerstoff der Luft in dem Elektrolyten 118 der Brennstoffzelle, und diese Reaktion erzeugt einen weit höheren Strom als zur Umwandlung des Kohlenwasserstoffes erforderlich ist. Der an die Elektroden der Wandleranordnung 74 gespeiste Strom wird am passendsten aus einer Zweitstromquelle entnommen, etwa aus einer kleinen Batterie oder ähnlichen Vorrichtung.
Es können jedoch auch eine Anzahl Brennstoffzellenanordnungen in Reihe geschaltet und der Strom für alle bis auf die negativste Zelle über einen Nebenschlusswiderstand zugeführt werden, der zwischen den Zellen angeschaltet ist, wobei lediglich die am höchsten negative Zelle noch eine Zweitstromquelle erfordert.
Der für die Kohlenwasserstoffumwandlung erforderliche Elektrolyt ist in einem eigenen Abteil 96 enthalten, und der für die Reaktion in der Brennstoffzelle erforderliche alkalische Elektrolyt in einem eigenen Abteil 109 zwischen den Elektroden 100, 110. Diese Anordnung ist kompakt und wirksam und erzeugt Wasserstoff in verhältnismässig reiner Form aus gasförmigem Kohlenwasserstoff und anderen wasserstoffhaltigen Brennstoffen, wobei der Wasserstoff direkt in den alkalischen Elektrolyten eingeleitet wird und mehr Energie erzeugt als zur Umwandlung des Kohlenwasserstof- fes erforderlich ist.
Im folgenden sind zur Erläuterung der Erfindung einige Beispiele angegeben.
Beispiel 1
Es wird ein Zellengehäuse verwendet aus Polytetrafluor äthylen ähnlich dem in Figur 1 dargestellten, wobei die Elektrodenfläche 5x5 cm betrug. Als Füllstoffteil wurde eine Quarzfasermatte von 762 Mikron Dicke und einer Porosität von etwa 6001o verwendet, welche Matte mit einer 85ge wichtsprozentigen Phosphorsäurelösung getränkt wurde.
Als Anode diente ein Tantalgitterschirm der Maschenweite 50 mit Drähten von 76,2 Mikron Dicke und einer Grösse von 5x5 cm. Die Anode war mit einer Mischung aus 25 mg/cm2 Platinschwarz und 10 mg/cm2 Tetrafluoräthylenharz beschichtet und war nach der Beschichtung auf 200 0C erhitzt worden. Als Kathode diente ein ähnliches Tantalgitter, das mit einer Mischung von 1 mglcm2 Platin und 0,3 mglcm2 Tetrafluoräthylenharz beschichtet und in ähnlicher Weise gesintert worden war.
Für die Brennstoffwandlerzelle wurde eine gasförmige Mischung aus Wasserdampf mit einem Teildruck von 0,8 Atmosphären und Äthan mit einem Teildruck von 0,2 Atmosphären verwendet. Die Brennstoffwandlerzelle wurde auf einer Temperatur von 150 0C gehalten und an die Anode und Kathode eine Spannung von 0,35 Volt angelegt, wobei eine Stromdichte von 50 mA/cm2 bestand.
Die Strömung dieser Gasmischung in die Zelle wurde so eingestellt, dass sich eine 50 /Oige Umwandlung des Kohlenwasserstoffs bei dem bestimmten Potential ergab. Von der
Zelle wurde ein Gemisch aus Wasserstoff und Dampf im
Verhältnis 40 : 60 bei Atmosphärendruck abgenommen. Die
Stromstärke dieser Wasserstoff-Dampfmischung der Brenn stoffwandlerzelle betrug 30 bis 40 cm3lmin.
Beispiel 2
Es wurde eine Zelle hergestellt im wesentlichen gleich der Ausführungsform nach Figur 3, wobei als Wandleranode die in Beispiel 1 beschriebene Ausführungsform verwendet wurde. Die Elektroden des Brennstoffzellenbereichs waren Baconelektroden aus porösem Nickel mit einer Wasserstoffanode, die mit einer 7gewichtsprozentigen Nickelnitratlösung getränkt war, während die Sauerstoffkathode mit einer 7gewichtsprozentigen Kobaltnitratlösung getränkt war. Die Sauerstoffkathode wurde anschliessend bei 540 0C 40 Minuten lang oxydiert.
Bei dieser Ausführungsform wiesen alle Elektroden eine aktive Oberfläche von 5x5 cm auf, und das Füllstoffteil der Kohlenwasserstoffelektrode war mit einer 85gewichtsprozentigen Phosphorsäurelösung getränkt. In dem Kohlenwasserstoffabteil war kein zusätzlicher Elektrolyt vorhanden.
In das Abteil zwischen den Brennstoffzellenelektroden war ein 65gewichtsprozentiger Kaliumhydroxydelektrolyt für die Redox-Reaktion eingefüllt.
Es wurde eine gasförmige Mischung aus Äthan und Wasserdampf an die Anodenseite der Kohlenwasserstoffelektrode geleitet, wobei der Teildruck des Kohlenwasserstoffs 0,32 Atmosphären und der Teildruck des Wasserdampfes 1,28 Atmosphären betrug. Die Zuführung geschah bei einer Temperatur von 150 C, auf der auch die Zellentemperatur gehalten wurde. An die Sauerstoffkathodenseite wurde Luft von 150 0C und einem Druck von 1,6 Atmosphären geleitet.
Zwischen Anode und Kathode des Brennstoffwandlerbereichs wurde eine Spannung von 0,35 Volt gelegt bei einer Stromdichte von 50 mA/cm2, und die durch die Redox-Reaktion erzeugte Spannung betrug 0,95 Volt bei einer Stromdichte von 50 mA/cm2.
Die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung ermöglichen den Bau kompakter Anlagen, und der Brennstoffwandler nach der Erfindung lässt sich leicht mit üblichen Brennstoffzellen zu einer integrierten Brennstoffzellenanordnung vereinigen, welche mit hohem Wirkungsgrad und verhältnismässig frei von Betriebsstörungen arbeiten kann.
Der Brennstoffwandler nach der Erfindung lässt sich ferner schnell zusammenbauen und ist verhältnismässig wirtschaftlich herzustellen.