DE3011421C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rekombinationsvorrichtung zur katalytischen Oxidation von Wasserstoff in Akkumulatorengasen, die auf den Akkumulator aufgesetzt und mit diesem durch ein Übergangsrohr als Gaszuführung verbunden ist und die eine Austrittsöffnung besitzt, wobei dem Rekombinationskatalysator durch zusätzliche Öffnungen zur Umgebung Umgebungsluft zuführbar ist.

Zur vollständigen katalytischen Oxidation müssen die Elektrolysegase Wasserstoff und Sauerstoff in einem Mengenverhälntis 2 : 1 zugegen sein, wie es der Stöchio­ metrie des Wassers entspricht. Beim Akkumulatorbetrieb werden jedoch nur im Zustande der Dauerüberladung beide Gase annähernd in dem genannten Verhältnis entwickelt. Während der meisten anderen Betriebsphasen ist die Gasung nicht­ stöchiometrisch, gewöhnlich sauerstoffreicher beim Aufladen, dagegen wasser­ stoffreicher beim Entladen und evtl. während Standzeiten. So kommt es, daß insbesondere während des Entladens viel überschüssiger Wasserstoff anfällt, der wegen eines fehlenden Sauerstoffäquivalents mit bisher bekannten Rekombinatoren nicht umgesetzt werden kann. Verluste an Elektrolytflüssigkeit sind die Folge.

Zwar ist das Innere des Rekombinators über eine Austrittsöffnung mit der Umgebungsluft verbunden, jedoch ist die Öffnung stets als Strömungswiderstand ausgelegt, um ein Ausströmen des gebildeten Wasserdampfes zu verhindern. Umge­ kehrt kann nur wenig Luft über diesen Strömungswiderstand in den Rekombinator strömen.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung ist der US-PS 30 38 954 zu entnehmen. Diese offenbart einen Rekombinator mit vorgeschaltetem SbH₃-Absorber in einem gemeinsamen, auf den Batteriedeckel aufschraubbaren Kunststoffgehäuse. In Höhe zweier Lufteinlaßöffnungen im Zylindermantel dieses Gehäuses ist ein Innengehäuse aus Fiberglas als Behälter für Katalysatorpellets angeordnet. Durch Beeinflussung der Gasdiffusion an die Katalysatorpackung über die Wandstärke, Packungsdichte und Geometrie der Wandfläche des Fiberglases läßt sich im Zusammenwirken mit den Lufteinlaßöffnungen, die ebenso ein Ab­ blasen von Wasserdampf bei sehr hohem Gasumsatz am Katalysator gestatten, die stark exotherme Knallgasrekombination moderieren.

Aus der DE-OS 19 43 183 ist ein Bleiakkumulator mit einem geschlossenen Zellengehäuse bekannt, durch dessen Deckel sich ein Halsteil mit einer darin angeordneten Rekombinationsvorrichtung erstreckt. In diesem Halsteil nimmt - in Strömungsrichtung der Akkumulatorgase gesehen - ein PdCl₂-Katalysator auf einem Graphitträger die unterste Position ein. Es folgt in Höhe des Gehäusedeckels ein Wärmeschutzfilter und über diesem ein Verbundkörper aus gasdurchlässigen Schichten, die bei einem Sauerstoffdefizit im Akkumulatorgas eine geregelte Luftsauerstoffzufuhr von außen her gestatten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rekombinationsvorrichtung für Wasserstoff und gegebenenfalls auch für brennbare Gase verfügbar zu machen, die auch bei einem unzureichenden, von den Brenngasen mitgeführten Sauerstoffangebot dennoch in der Lage ist, eine vollständige Umsetzung aller brennbaren Gasbestandteile zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einer Rekombinationsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Übergangsrohr mit Öffnungen zur Umgebung versehen ist, so daß bei Durchströmen des Brenngases Umgebungsluft selbsttätig ansaugbar ist.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird der Erfindungsgegenstand näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Vorrichtung der Erfindung in einer Draufsicht 1 a auf den Deckel und in einem Aufriß 1 b längs der den Deckel als Spur A-A durch­ schneidenden Ebene.

Fig. 2 zeigt schematisch die Verwendung der Vorrichtung in einem dualen Rekombinationssystem.

Gemäß Fig. 1 setzt sich die Gaszuführungsleitung, welche den Rekombinator 1 mit dem Einfüllstutzen 2 einer Akkumulatorzelle verbindet, aus zwei konzen­ trisch angeordneten Rohren dem inneren Gasleitungsrohr 3 und dem äußeren Übergangsrohr 4, zusammen.

Durch die Löcher 5 im Übergangsrohr 4 besitzt die Gaszuführungsleitung eine Öffnung zur Umgebung, welche es dem im Gaseinleitungsrohr 3 aufströmenden Brenngas gestattet, Verbrennungsluft auszusaugen und in den Rekombinator mitzu­ führen. Hierbei findet das Funktionsprinzip des bekannten Bunsenbrenners An­ wendung. Bei diesem entströmt Leuchtgas einer im Fuße des Brenners ange­ brachten Düse und saugt dabei durch regulierbare Öffnungen selbsttätig Luft an. So entsteht in Innern des über der Düse befindlichen Brennerrohres ("Schornstein") ein Luft-Leuchtgas-Gemisch, das beim Entzünden in einer auf dem oberen Rand des Brennerrohres aufsitzenden Flamme verbrennt.

Der vereinigte Gasstrom passiert das Gaslabyrinth 6 und trifft auf den Katalysatorträger 7, wobei der Trichter 8 für eine gleichmäßige Ver­ teilung der Gase über die Oberfläche des Katalysatorträgers, welcher z. B. eine hydrophobierte Asbestfasermatte sein kann, sorgt.

Durch die Reaktionswärme erfahren die nunmehr aus Wasserdampf und Luft bzw. Stickstoff bestehenden Reaktionsgase eine starke Dichteänderung und infolgedessen einen starken Auftrieb, wobei ihnen die Austritts­ öffnungen 10 des Rekombinatorsdeckels 9 einen Abzug nach oben gewähren. Das auf diese Weise vom Katalysatorträger abströmende heiße Gas verur­ sacht im Übergangsrohr 4 einen Sog, der durch die Löcher 5 ständig Umgebungsluft nachströmen läßt.

Zumindest ein Teil des gebildeten Wasserdampfes wird an der Rekombi­ nator-Innenwand 11 kondensiert. Das Kondenswasser fließt durch die Öffnung 12 und das Übergangsrohr 4 in die Zelle zurück. Damit es durch die Löcher 5 nicht nach außen gelangen kann, besitzen diese eine Innenwulst 13. Unterhalb der Löcher 5 ist der zwischen Gasein­ leitungsrohr 3 und Übergangsrohr 4 vorhandene Ringspalt durch einen porösen Körper 14 ausgefüllt. Dadurch werden die Druckverhältnisse so eingestellt, daß der Flüssigkeitsdruck im porösen Körper 14 stets höher ist als im Gaseinleitungsrohr 3. Das Gas wird daher gezwungen, nur durch dieses Rohr zu strömen.

Um das Rekombinationswasser so vollständig wie nur möglich zurückzu­ gewinnen, können auf die Austrittsöffnungen 10 im Rekombinatordeckel beispielsweise Rohrkühler (nicht dargestellt) aufgesetzt werden, aus denen am Ende nur der vorhandene Luftüberschuß, mit Stickstoff ver­ mischt, entweicht.

Der Rekombinator wird überlastsicher duch Anbringen eines Strömungs­ widerstandes. Der Strömungswiderstand ist bei Nennleistung vernach­ lässigbar und nimmt bei höherem Gasangebot stark zu. Diese Charak­ teristik wird erreicht durch geeignete Wahl des Innendurchmessers des Gaseinleitungsrohres 3, der z. B. 2 mm beträgt, und durch Anbringen einer Platte oberhalb des Rohrendes. Diese Platte kann z. B. der erste Umlenksteg des Gaslabyrinthes 6 sein. Der Abstand Rohrende zu Platte von z. B. 4 mm und der Durchmesser des Rohres müssen exakt aufeinander abgestimmt sein. Damit wird erreicht, daß bei Nennleistung das Gas in den Rekombinator strömt, jedoch bei Überlast der größte Teil bereits vor dem Gaslabyrinth zurückschlägt und durch die Löcher 5 abbläst. Die Luftansauglöcher 5 übernehmen damit zugleich eine Ventilfunktion.

Diese Anordnung zur Erzielung des gewünschten Strömungswiderstandes, soweit sie sich auf das Gaseinleitungsrohr 3 und den ersten Umlenksteg des Gaslabyrinths 6 erstreckt, kann nach dem aus der DE-OS 26 21 413 bekannten Wirkungsprinzip auch als Säureabscheider dienen. Gemäß dieser Druckschrift strömen die Zellengase durch eine Düse in den Re­ kombinator und werden dabei durch ein dicht vor der Düsenöffnung be­ findliches Prallplättchen umgelenkt. Die trägheitsbehafteten, im Gasstrom mitgeführten Flüssigkeitströpfchen folgen der Umlenkung nicht und werden auf dem Prallplättchen niedergeschlagen.

Die Flüssigkeitsabscheidung läßt sich über die Wahl des Abstandes zwischen Plättchen und Düsenöffnung sowie des Durchmessers der Düse optimieren. Als sehr günstige Werte für den Innendurchmesser der Düse haben sich 0,5 mm und für den Abstand zwischen Düsenöffnung und Plättchen 2 mm erwiesen. Größere Düsendurchmesser schmälern infolge der geringeren Gasdurchtrittsgeschwindigkeit den Trägheitseffekt der Flüssigkeitströpfchen und sind deshalb weniger geeignet.

In der Praxis wird man den Durchmesser des Gaseinleitungsrohres 3 und den Abstand des Rohrendes zum ersten Umlenksteg bei der anmeldungsge­ mäßen Rekombinationsvorrichtung so dimensionieren, daß sich für beide Belange, nämlich geringer Strömungswiderstand bei Nennleistung und effiziente Säureabscheidung, eine optimale Kompromißlösung ergibt.

Dadurch, daß mit der angesaugten Luft ein erheblicher Stickstoffballast in den erfindungsgemäßen Rekombinator gelangt, ist sein Wirkungsgrad zwangsläufig geringer als bei einem herkömmlichen Rekombinator, der die rekombinierbaren Gase zu 100% umsetzen kann, sofern nicht ein Überange­ bot von beispielsweise Wasserstoff vorhanden ist. In diesem Fall läßt sich ein herkömmlicher Rekombinator von vorzugsweise größerer Dimen­ sionierung vorteilhaft mit einem erfindungsgemäßen Rekombinator zu einem dualen Rekombinationssystem ergänzen.

Ein solches ist in Fig. 2 schematisch angedeutet. Bei diesem wird der Gaseingang des erfindungsemäßen Rekombinators 1 an den Gasausgang eines größeren Reaktors oder Rekombinators 15 von bekannter Bauart, d. h. ohne Luftansaugung, angeschlossen. Der größere Rekombinator ist so dimen­ sioniert, daß er selbst die in Spitzenlastzeiten angebotene Wasserstoff­ menge, die beim Laden und Überladen anfällt, allein umsetzen kann. Be­ grenzend wirkt lediglich der in der in den Ladegasen als Oxidans mitge­ führte Sauerstoff. Ist dieser aufgezehrt, verläßt der überschüssige Wasserstoff den Rekombinator 15 und strömt über dessen Gasausgang in den Reaktor 1 mit Luftansaugung. Dort wird seine Oxidation mit dem Luftsauerstoff zu Ende geführt. Der kondensierte Wasserdampf fließt zurück in den großen Reaktor 15 oder auch in die Zelle.

Das duale Rekombinationssystem ist somit besonders geeignet, dem oft sehr unterschiedlichen Mengenverhältnis von Brenngas und Sauerstoff - der Wasserstoffanteil an der Zellengasung kann zwischen 95 Vol.-% und 30 Vol.-% schwanken - dadurch Rechnung zu tragen, daß nur der über­ schüssige Wasserstoff mit schlechterem Wirkungsgrad in dem erfindungs­ gemäßen Rekombinator oxidiert wird. Im Hinblick auf die Gesamtanlage erzielt man durch diese Arbeitsweise wiederum eine Verbesserung des Wirkungsgrades.

Claims (4)

1. Rekombinationsvorrichtung zur katalytischen Oxidation von Wasserstoff in Akkumulatorengasen, die auf den Akkumulator aufgesetzt und mit diesem durch ein Übergangsrohr als Gaszuführung verbunden ist und die eine Aus­ trittsöffnung besitzt, wobei dem Rekombinationskatalysator durch zusätz­ liche Öffnungen zur Umgebung Umgebungsluft zuführbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Übergangsrohr (4) mit Öffnungen (5) zur Umgebung versehen ist, so daß bei Durchströmen des Brenngases Umgebungsluft selbst­ tätig ansaugbar ist.

2. Rekombinationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführung aus einem Gaseinleitungsrohr (3) und einem mit Löchern (5) versehenen Übergangsrohr (4) größeren Durchmessers in konzentrischer An­ ordnung besteht.

3. Rekombinationsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zwischen dem Gaseinleitungsrohr (3) und dem Übergangsrohr (4) gebildete Ringspalt in dem unterhalb der Löcher (5) befindlichen Bereich durch einen porösen Körper (14) ausgefüllt ist.

4. Rekombinationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführung mit dem Gasaustritt einer weiteren vorgeschalteten Rekombinationsanordnung verbunden ist.