DE1619934A1

DE1619934A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufkonzentrierung von Alkalilaugen,vorzugsweise zur Ausbringung des Reaktionswassers aus Brennstoffelementen

Info

Publication number: DE1619934A1
Application number: DE19671619934
Authority: DE
Inventors: August Dipl-Phys Dr Winsel
Original assignee: VARTA AG
Current assignee: VARTA AG
Priority date: 1967-02-13
Filing date: 1967-04-01
Publication date: 1971-03-25
Also published as: FR1555971A; NL6802037A; BE710675A; DE1619746A1; DE1619932A1; DE1619749A1; GB1221673A; DE1667334A1; AT278705B; CH491660A; US3649467A; DE1667334B2

Description

Re j?. -Hr, EDUP 100 a Frankfurt / Main, den 28.3.6

HPT - Fnn/Nau.

VA R T A
6000 Frankfurt/Main, Neue Mainzer 3tr»54-

Verfahren und Vorrichtung zur Auffcoηzentrierung von Alkalilaugen, vorzugsweise zur Ausbringung des Reaktionswassers aus Brennstoffelementen,

(Zusatzanmeldung zur Patentanmeldung Az. V 33 004 iyc/12e)

Es sind verschiedene Vorschläge bekanntgeworden, um das Reaktionswasser aus dem Elektrolyten von Brennstoffelementen zu entfernen.

Meist wird zu. diesem Zweck eines der Reaktionsgase im Kreislauf zwischen der entsprechenden Gas-Diffusipnselektrode und einer kälteren KondensetionsflHche geführt und auf diese /ieise das aus den Poren dieser Elektrode in den Gasraum verdampfende Wasser kondensiert.·

Die porösen Verdampferflächen brauchen indesβen nicht unbedingt mit der Gasraumseite der Elektroden identisch zu sein; es wurde von der Anmelderin bereits vorgeschlagen, den betreffenden Gasstrom im Kreislauf zwischen vom Elektrolyten benetzten, gesonderten porösen Verdampferflachen und porösen Kondensatorflächen zu führen und dadurch das sich in den porösen Konden-

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satorflachen abscheidende vVasser aus dem Elektrolyten und damit aus dem Brennstoffelement herauszuführen. Der Arbeitsdruck im Gaskreislauf liegt deshalb oberhalb des hydrostatischen Druckes der Umgebung, so daß der kondensierte Dampf unter dem Einfluß des Druckgefälles durch die Poren der Kondensatorfläche weggeführt wird. Gemäß dieser Ausführungsform (Az. V 31 033 IVc/1?e) bestimmt die Geschwindigkeit des umgewälzten Gasstromes die Leistungsfähigkeit der 7/asserausbringung. Bei niedrigen Temperaturen der Brennstoffzelle muß eine große xrägergasmenge im Kreislauf geführt werden, vjozu ein erheblicher Aufwand von Energie erforderlich ist.

Im DBP (Az. V 33 004 IVc/12e) wurde nun vorgeschlagen, poröse Verdampfer- und Kondensatorflächen im'engen Abstand voneinander anzuordnen, so daß die Wassermoleküle durch Diffusion von der Verdampfer- zur Kondensatorfläche transportiert werden. Auf diese .'/eise kann man die Wasserausbringung zu hoher Leistungsfähigkeit entwickeln, so daß auf kleinem Raum eine große Wassermenge überführt werden kann.

Die Grundeinheit dieses Diffusionsspaltverdampfers besteht aus einer porösen Verdampferscheibe und einer porösen Kondensatorscheibe, die in engem Abstand voneinander angeordnet sind, und dem zwischen ihnen liegenden Gasraum, in dem man einen Gasdruck aufrechterhält, der dem Kapillardruck der Flüssigkeit in den Poren von Verdampfer- und Kondensatorscheibe zumindest gleichkommt. Die dem Gasraum abgewandte Seite der Verdampferseheibe

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wird von der heißen Elektrolytlösung der Brennstoffbatterie umspült, wodurch sowohl das" zii verdarapf ende fteafctionswässer als auch* die zu seiner Verdampfung' erforderliche V/ornieinenge herangeführt Viird. Die Kondensatorscheibe auf der dem Gas«·" raum abgewandten Seite ist mit einem Kühlmittel in ■ Berührung", mit dem das aüskondensierte Wasser wie auch die Kondensations-. wärme abgeführt wird. ·"--■"■<-* ■--■'■

Die eben beschriebene Grundeinheit kann statt der beiden porösen Geheiben mit dem von ihnen gebildeten Diffusionsspalt auch eine poröse Scheibe,aus hydrophobem Material enthalten. Hier bilden die Porenschlnuche einzelne Diffusionsröhren; man wird die Scheibe aus diesen Gründen möglichst dünn halten und sie aus die Wärme schlecht leitendem Material wählen.

Diffusionsspalt und Diffusionsschläuche sind"wegen der Beweglichkeit der Gasmoleküle vorzugsweise mit Wasserstoff gefüllt.

Statt eines Kühlwasserstromes'kann auch ,mit" Hilfe eines Luftgebläses das ilondensationswasser und die Kondensat ions wärme abgeführt-werden.

Beim Betrieb von Brennstoffelementenund —batterien ist es von großem Interesse, über den flüssigen Elektrolyten die Verlustwärme und das Reaktionswasser abzuführen. Dafür ist die beschriebene Vorrichtung hervorragend geeignet.

Auf der anderen Seite ist es jedoch renau so v/ichtig,. daß die Batterie bei ihrer optimalen Arbeitstemperatur arbeitetj der aufkonzentrierte Elektrolyt darf weder zu heiß zurückgef"ihrt werden noch zu stark abkühlen.

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Ba die I'emperaturdifferenz zwischen Elektrolyt und Kühlmittel stete so gewählt werden kann, daß das fteaktions\vasser ausgebracht werden kann, stellte sich nunmehr die Aufgabe, die im DBP . .· (Az. V 55 004 IVc/12e) beschriebene Vorrichtung mit einer Regeleinrichtung zu versehen, die es gestattet, den Elektrolyten in die Batterie mit einer ganz bestimmten Temperatur zurückzuführen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch Kombination zweier Elemente, deren erstes dafür sorgt, daß nur soviel Elektrolyt in den Verdampferraum gelangt, wie zur Herabsetzung der Betriebstemperatur dieses Elektrolyten erforderlich ist. Das zweite Element stellt sicher, daß die Elektrolyttemperatur selbst dann noch auf den optimalen Wert gesenkt werden kann, wenn die gesamte Elektrolytmenge den die Temperatur herabsetzenden Verdampferraum durchströmt, ohne daß die geforderte Abkühlung erreicht wird.

Dies gelingt durch ein H-fÖrmiges, nach dem sogenannten "Heat-Pip e'-Erin.zip arbeitendes Bauteil, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die im Bereich der gewünschten Elektrolyttemperatur gerade zu sieden beginnt. Der eine vertikale Schenkel des Bauteils befindet sich in einem an den Verdampferraum angeschlossenen Elektrolytsammelraum, der zweite - mit dem ersten durch eine horizontale Leitung verbundene - vertikale Schenkel ragt in einen abgeschlossenen benachbarten Raum, der von Kühlmittel durchströmt wird.

Zum besseren Verstöndnis der Erfindung wird auf die beigelegte

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Figur,-verwiesen, die die schematische Wiedergabe eine:r der mögliehen Ausfiihrungsformen-bringt .und .die im wesentlichen gekennzeichnet ist durch eine die ausführlich beschriebene Vorrichtung15 überbrückende Elektrolytleitung 1* und das an die Vorrichtung15 angeschlossene Zweikammersystem 1O₁ das zur Feineinstellung der optimalen Terüperatur des Elektrolyten dient, aber nur in Funktion tritt, wenn der Elektrolyt wärmer ist als es dieser Temperatur entspricht.

Über die Zuleitung 1 gelangt der erwärmte wässrige Elektrolyt aus der Batterie in den Flüssigkeitsverteiler 14, der von dem unterhalb des Verdampferraumes 3 befindlichen Wärmefühler über die Steuerleitung 16 jsο geregelt wird, daß der Verteiler die an die Überbrückungsleitung 1,' pro Zeiteinheit abgegebene Elektrolytmenge in dem Maße vergrößert, wie die Elektrolyttemperatür unter dem zu erwartenden Sollwert liegt. Ist dagegen die in 9 gemessene Temperatur zu hoch, so wird der in den Verdampf erraum 5 fließende Anteil vergrößert. Der hier einfließende Elektrolyt strömt an der porösen Scheibe 4 vorbei, erfüllt deren Poren, wird aber durch das im Spalt 5 unter einem vorgegebenen Druck stehende Gas - bevorzugt Wasserstoff - daran gehindert, aus den zum Spalt hin gerichteten Porenöffnungen auszufließen. Ein Teil des im Elektrolyten enthaltenen Wassers verdampft in den Spalt 5 und kühlt dadurch die Scheibe 4 ab, die dem vorbeiströmenden Elektrolyten Wärme entzieht. Der '"asserdampf gelangt an die gekühlte poröse "cheibe 6 und kondensiert an deren Poren wieder zu Wasser. Dieses gelangt wegen des Gasdruckes in Spalt 5 durch die Poren der Scheibe

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hindurch in das. K/!hlaittel 7, ^das gegebenenfalls im Kreislauf über" die Leitungen 2 und 2* geführt wird* wobei zwischen 2 und ein Wärmeaustauscher» ein Kühlturm oder dergleichen angeordnet sein kann. ...-.-

Lnuft der gesamte Elektrolyt bei durch 14-'geschlossener Leitung 1. · durch den Raun 3 und ist trotz dem dort erfolgenden Wärmeentzug die Temperatur bei 9 noch _2U hoch, so tritt selbsttätig die bereits beschriebene, nach dein "Heat-Pipe"-Prinzip arbeitende V,flrmeentzugsvorrichtung 10 in Tätigkeit. Die Flüssigkeit 1? Cer.^:;t bei 'Temperaturen, die oberhalb des Sollwertes des Elektrolyten liegen, ins Sieden, wenn der Elektrolyt den Raum 11 durchfließt. Die Dämpfe von 12 gelangen über ein Verbindungsstück in den im Raum 13 angeordneten Behälterteil. Da Raum vom Kühlmittel durchströmt wird, kondensieren in dieser Zone die Dämpfe und gelangen dank der gewählten Anordnung des H-förmigen Behälters als gekühlte Flüssigkeit 12 in den von zu warmen Elektrolyten durchströmten Raum 11 zurück. Durch den Entzug der für die Verdampfung von 12 benötigten wärme wird der Elektrolyt auf den Sollwert abgekühlt, nach dessen Erreichen die Flüssigkeit'12 nicht mehr verdampft. Der Elektrolyt gelangt nun über die Leitung 1¹¹ in die Brennstoffbatterie zurück.

Die Dimensionen der in der Figur wiedergegebenen Einzelteile sind durchweg zu groß dargestellt worden, um die Erfindung recht deutlich zu machen. In der Praxis sind vor allem die Räume 3» und 7 sowie die Scheiben 4 und 6 viel schmäler gehalten. Außerdem ist es in manchen Fällen angezeigt, die Verdampfer- und Kondonsatorf lachen in den Vorrichtungen 10 und 15 zu vergrößern

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und auch mehr .ils eine dieser "Vorrichtungen- in den Elektrolyt— kreislauf einzubauen. Dies hilngt von den durch die jev/eils verwendete Brennstoffbatterie ßeß-ebenen■ Verhältnissen 'ab, die vom Fachmann ohne v/ei te res rechnerisch oder durch einfache Versuche ermittelt v/erden können. ·

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Konzentrierung wasserhaltiger Flüssigkeiten durch 'Aasoerentzug über die Dampfphase, insbesondere zur Konstanthaltung der Konzentration der in galvanischen Brennstoffelementen verwendeten wässrigen i^lektrolyte

nach DBP (az. V 33 004- IVc/12e), wobei die

Vorrichtung aus zumindest einer Einheit besteht, die Jeweils zwei rait einer Zu- und Abführung versehene Häume enthn.lt, deren einander gegenüber liegende poröse ,Vönde durch eine gaserfüllte Phase voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, da3 die Zuleitung (1) der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit vor dem Eintritt in die Vorrichtung (15) in. einen Flüssigkeitsverteiler (14) mündet, dem neben der Zuleitung für die Konzentriervorrichtung (15) eine diese Vorrichtung (15) umgebende Überbrückungsleitung (V) angeschlossen ist, wobei der Gteuerhahn des Flüssigkeitsverteilers (1A) mit einem Wärmefühler (9) verbunden ist, der an der Einmündung der Überbrückungsleitung (1') in den Verdampfcrraum-Auslaß angeordnet ist.

?. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzlich an die Konzentrierungsvorrichtung nachfolgend angeschlossene Vvärmeentzugsvorrichtung (10), bestehend aus zumindest je einer Kammer für die aufzukonzentrierende Fl'isnigkei.t (11) und für ein Kühlmittel (13), wobei in _tiede

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dieser Kammern einer von zv/ei miteinanäer verbundenen Schenkeln einer sogenannten "Heat-pipe" angeordnet ist.

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