DE1067490B

DE1067490B - Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1067490B
Application number: DEN15030A
Authority: DE
Inventors: Francis Thomas Bacon
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1957-05-03
Filing date: 1958-05-03
Publication date: 1959-10-22
Also published as: FR1207447A; CH367538A; GB822086A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Batterien, welche Brennstoffelemente des Wasserstoff-Sauerstoff-Typs aufweisen, wie sie in der britischen Patentschrift 667 298 beschrieben sind. Sie betrifft insbesondere Betriebsanordnungen derartiger Batterien,

Während des Betriebes der Batterie wird der verbrauchte Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umgewandelt. Daher ergibt sich insgesamt eine langsame Zunahme des Gesamtvolumens des Elektrolyten, und zusätzlich neigt der Elektrolyt dazu, im Bereich der Wasserstoffelektroden verdünnt, im Bereich der Sauerstoffelektroden dagegen stärker konzentriert zu werden. Dies führt infolge der örtlichen Unterschiede in der Elektrolytkonzentration zur Polarisation der Elektroden.

Wenn poröse Elektroden verwendet werden, z. B. Nickelelektroden mit einer verhältnismäßig großporigen Schicht auf der Gasseite und einer verhältnismäßig feinporigen Schicht auf der Elektrolytseite, muß ein geringer Differentialdruck zwischen dem Gas und der Elektrolytflüssigkeit aufrechterhalten werden. Dadurch wird der Elektrolyt daran gehindert, in den Gasraum zu fließen, während der umgekehrte Vorgang durch das Gleichgewicht zwischen dem Überdruck des Gases und der Oberflächenspannung in den kleinen Poren verhindert wird. Bei dem in der britischen Patentschrift 667 298 dargestellten Element wird das wachsende Elektrolytvolumen für eine kurze Zeit von dem freien Raum über dem Elektrolyten aufgenommen. Wird bei Dauerbetrieb der freie Raum ausgefüllt, so bewirkt das weiter zunehmende Elektrolytvolumen, daß die großen Poren allmählich mit Flüssigkeit gefüllt werden, wodurch das Gas zurückgetrieben und das Druckgleichgewicht gestört wird. Es ist daher bei Dauerbetrieb erforderlich,, das gebildete Wasser aus dem Element zu entfernen.

Erfindungsgemäß weist ein Brennstoffelement des Wasserstoff-Sauerstoff-Typs mit porösen Elektroden ein Wasserstaffumlaufsystem auf, welches einen Kondensator_jür den von dem umlaufenden ~Wasserstoff_4o

mitgetragenen Wasserdampf umfaßt,'wobei
deifs'ät"dieses Kondensators' periodisch mittels_ejnes._» VäaBls ' a^gdasscn—wird,—BrctctresTTroTctnen Differentialdjruc]k„iwjschen der Elektrolytflüssigkeit und d«n~Was§e,rauiff.._gesieuert. wjrd,,. Auf diese Weise wird das gebildete Wasser automatisch entfernt, und das Element kann über lange Zeitabschnitte arbeitsfähig bleiben. Die beim Betrieb einer derartigen Zelle auftretenden hohen Temperaturen, beispielsweise 200° C, lassen das im Elektrolyten enthaltene Wasser frei in den Gasraum der Elektroden verdampfen, von wo es durch den umlaufenden Wasserstoff entfernt und dann kondensiert wird. Für den Gasumlauf ist dem Wasserstoff vor dem Sauerstoff der Vorzug ge-Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffelement

Anmelder:

National Research Development

Corporation,

London

Vertreter: Dipl.-Ing. H. v. Schumann, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 5

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 3. Mai 1957

Francis Thomas Bacon,

Little Shelford, Cambridgeshire (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

geben, weil gerade im Bereich der Wasserstoffelektroden die Elektrolytflüssigkeit verdünnt wird.

Vorzugsweise ist der Kondensator so ausgebildet, daß er den Wasserstoffumlauf unterbricht, wenn das Kondensat eine vorausbestimmte Flüssigkeitshöhe erreicht. Sobald die Kondensation aufhört, beginnt das Volumen des Elektrolyten zuzunehmen, wodurch das Kondensat abgelassen wird und die Kondensation von neuem beginnen kann. Das Ausmaß der Kondensation wird so gewählt, daß sich selbst bei stärkster Belastung keine Zunahme des Elektrolytvolumens ergibt. Im allgemeinen wird das Elektrolytvolumen daher während der Kondensation zu einer geringfügigen Abnahme neigen. Sobald die Kondensation aufhört, nimmt jedoch das Elektrolytvolumen zu, bis das Kondensat abgelassen wird. Auf diese Weise wird das Gesamtvolumen des Elektrolyten selbsttätig im wesentlichen konstant erhalten.

Um den Umlauf des Wasserstoffs zu dem erforderlichen Zeitpunkt zu beenden, können die dem Kondensator zugeordneten Einlaß- und Auslaßröhren sich in dem Kondensator nach unten erstrecken, so daß ihre Enden durch den steigenden Flüssigkeitsspiegel des Kondensates verdeckt werden. Der Kondensator selbst kann außerordentlich einfach ausgebildet sein und beispielsweise die Form eines kleinen Topfes aufweisen. Da der Umlaufdruck für den Wasserstoff sehr

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klein sein muß, wird der Umlauf unterbrochen, sobald die Röhrenenden von dem Kondensat bedeckt werden.

Das Ventil kann in einfacher Weise als Membranventil ausgebildet sein, wobei die Membran auf einer Seite durch den Wasserstoffdruck und auf der anderen Seite durch den mittels einer Feder verstärkten Elektrolytdruck beaufschlagt wird. Wenn diese Feder einstellbar ist, kann der das Ventil betätigende Wert des Differeatialdruckes geregelt werden. Unter ge- ίο wöhnlichen,|3etriebsbedingungen wird der Differentialdruck durch die Feder ausgewogen, aber sobald der Differentialdruck infolge des zunehmenden Elektrolytvolumens beim Aufhören der Kondensation fällt,

der Batterie Elektrolytflüssigkeit durch das Rohr 12 zugeführt und, wenn dies erforderlich ist, wieder durch das Rohr 13 abgeleitet. Die Rohre 12 und 13 können gegebenenfalls auch eine Verbindung zu einem Manometer aufweisen. Von diesen Rohren führen weitere Rohre 14 und 15 zu axialen Kanälen 16 bzw. 17, welche ihrerseits mit den einzelnen Zellen verbunden sind. Der Elektrolytkreislauf umfaßt ferner ein Rohr 18, das zu einem Steuerventil 19 führt.

Der Wasserstoff tritt am unteren Teil der Batterie durch eine von einem axialen Kanal 28 herkommende Röhre 25 aus. Die Röhre 25 bildet das Einlaßrohr einer Kondensiervorrichtung 26, die als kleiner Topf ausgebildet ist. Das Auslaßrohr 27 führt aus dem Topf zu

öffnet die Feder das Ventil, um das Kondensat abzu- 15 der Pumpe 6, welche über das Rohr 5 den Kreislauf

lasßßa. , vervollständigt.

Vorzugsweise wird der Wasserstoffumlauf mittels Die Ba.{te,rip ist zum Betrieb bei verhältnismäßig

einer Pumpe aufrechterhalten. Um eine Stopfbuchse hohenTTemp^r^ibiren, beispielsweise in der Größen-

mit der durch sie verursachten Reibung und Leck- rttnvnj£[^rm?0Q^o C bestimmt, und der umlaufende

Um das notwendige Wasserstoffvolumen umlaufen zu lassen, sind jedoch verhältnismäßig große Rohre erforderlich. Aus diesem Grund ist die Verwendung

und sicherer Handhabung zuläßt, die Größe der Rohre und des verwendeten Wasserstoffvolumens zu verringern. Schließlich kann der Wasserstoff auch durch

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gefahr zu vermeiden, wird diese Pumpe mit Hilfe 20 Wasserstoff führt Dampf mit sich, der in dem Topf 26 einer magnetischen Kupplung angetrieben, welche kondensiert wird. Die Rohre 25 und 27 erstrecken sich durch eine nichtmagnetische Wand auf sie einwirkt. in dem Topf 26 nach unten und haben abgeschrägte Als Pumpe kann beispielsweise eine kleine zylin- Enden, um Tropfenbildung zu vermeiden. Wenn der drische Ventilatorpumpe oder auch eine Schrauben- Flüssigkeitsspiegel des Kondensationsproduktes in dem pumpe mit Axialfluß verwendet werden. Andererseits 25 Topf 26 steigt, werden die Enden der Rohre 25 und kann auch statt einer Pumpe für den Wasserstoff- 27 geschlossen. Da die Pumpe 6 nur einen verhältnisumlauf einfach ein Thermosyphoneffekt benutzt wer- mäßig kleinen Druck erzeugt, hört in diesem Augenden. Der nasse, heiße Wasserstoff im Bereich der blick der Wasserstoffumlauf auf.
Elektroden ist schwerer als der, trockenere und kühlere Wie bereits erwähnt, verursacht das Aufhören des

Wasserstoff in dem Rückleitungsrohr vom Konden- 30 Wasserstoffumlaufes ein Fallen des Differentialdruckes sator und ruft so ein selbsttätiges Fließen hervor. zwischen der Elektrolytflüssigkeit und dem Wasserstoff. Diese Wirkung wird zur Steuerung des Ventils 19 ausgenutzt. Wie bereits oben beschrieben, wird der Druck der Elektrolytflüssigkeit dem Ventil durch das

einer Pumpe vorzuziehen,- weil sie es im Interesse 35 Rohr 18 zugeführt und beaufschlagt die obere Seite einer gedrungeneren Ausführung sowie bequemerer der Membran 30. Die untere Seite der Membran wird

durch den Druck des Wasserstoffs beaufschlagt, der über ein Rohr 31 angeschlossen ist, welches unmittelbar oberhalb des Topfes 26 mit dem Rohr 27 in Verden Einströmeffekt desjenigen Wasserstoffes in Um- 40 bindung steht. Infolgedessen wirkt der Differentiallauf versetzt werden, der aus dem unter hohem Druck druck nach oben auf die Membran 30 ein, von wo er stehenden Nachfüllbehälter in das System einfließt. durch eine leichte Feder 32 ausgewogen wird, deren

"*" Die Erfindung ist in der Beschreibung an Hand der Vorspannung mittels einer sich nach unten durch eine Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung ist Stopfbuchse 34 erstreckenden Schraube 33 geregelt

Fig. 1 eine Gesamtdarstellung der erfindungs- 45 wird. Die Membran 30 trägt eine Ventilstange 40, gemäßen Anordnung, während welche an ihrem unteren Ende ein Ventilglied 41 auf-

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II der weist, welches mit einer Ventilsitzfläche 42 zusammen-Fig. 1 darstellt. wirkt. Wenn beim Aufhören der Kondensation der

Eine aus einzelnen Betriebszellen bestehende Batterie Differentialdruck fällt, öffnet die Feder 32 das Ventil ist bei 1 schematisch dargestellt und kann Zellen nach 50 und läßt das Kondensationsprodukt aus dem Topf 26 der britischen Patentschrift 667 298 aufweisen. Die über ein Rohr 43 ausfließen, welches zu dem Raum Batterie besteht aus zwei Hälften, welche durch eine unterhalb der Membran 30 führt. Das Kondensationsinder Mitte angeordnete Verteilerplatte 2 voneinander produkt fließt nach außen durch ein Rohr 44 ab, getrennt sind, die im Schnitt in Fig. 2 dargestellt ist. welches eine schematische, bei 45 dargestellte Dampf-Der Wasserstoff wird der Batterie durch eine von 55 rohrfalle einschließt. Dadurch wird vermieden, daß einem nicht dargestellten Wasserstoffbehälter korn- das verhältnismäßig kleine Ventil 19 gegen die Wirmende Röhre 3 zugeführt. Die Röhre 3 steht mit einem kung eines sehr großen Druckes arbeiten muß.
axialen Kanal 4 in Verbindung, welcher den Wasser- Im Betrieb wird Dampf von dem umlaufenden

' stoff auf die einzelnen Zellen verteilt. Ferner ist ein Wasserstoff mitgeführt und in dem Topf 26 nieder-Zweigrohr 5 vorgesehen, um einen geschlossenen 60 geschlagen. Das Ausmaß der Kondensation ist so

um einen

Kreislauf zu bilden, durch welchen der Wasserstoff unter der Wirkung einer von einem Elektromotor 7 angetriebenen kleinen Pumpe 6 umläuft. Die Pumpe 6 ist mit dem Elektromotor 7 über eine nicht dargestellte magnetische Kupplung verbunden.

Der Sauerstoff wird der Batterie durch eine von einem nicht dargestellten Sauer stoff behälter kommende Röhre 10 zugeführt. Diese -Röhre steht mit einem axialen Kanal 11 in Verbindung, welcher zu den eingeregelt, daß sich selbst bei höchster Belastung keine Zunahme des Elektrolytvolumens ergibt. Im allgemeinen nimmt daher das Elektrolytvolumen unter diesen Bedingungen etwas ab. Sobald der Wasserstoffumlauf durch den steigenden Flüssigkeitsspiegel des Kondensationsproduktes unterbrochen · wird, beginnt jedoch das Elektrolytvolumen zuzunehmen, und der Differentialdruck fällt ab. Je nach der Einstellung der Schraube 33 öffnet das Ventil 19, wenn der Differen

zeinen Zellen führt. Beim Beginn des Betriebes wird 70 tialdruck um einen vorausbestimmten Betrag gefallen

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ist. Das Kondensat wird dann abgelassen, und der Zyklus beginnt von neuem.

Claims

Patentansprüche:

1. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffelement mit porösen Elektroden, bei welchem der Differentialdruck zwischen den Gasen und der Elektrolytflüssigkeit durch Kapillarattraktion in den Poren der Elektroden ausgewogen wird, gekennzeichnet durch ein Wasserstoffumlaufsystem mit einem Kondensator für den von dem umlaufenden Wasserstoff mitgetragenen Dampf, aus welchem das Kondensationsprodukt periodisch mittels eines Ventils abgelassen wird, welches durch den Differentialdruck zwischen der Elektrolytflüssigkeit und dem Wasserstoff gesteuert wird.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator den Wasserstoffumlauf unterbricht, wenn das Kondensationsprodukt einen TOra^sbe^hOmt«i_JFh2s^igkeits- spiegel erreicht.

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die dem Kondensator zugeordneten Einlaß- und Auslaßrohre in dem Kondensator derart nach unten erstrecken, daß ihre Enden beim Steigen des Flüssigkeitsspiegels des Kondensationsproduktes von diesem bedeckt werden.

4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil eine Membran aufweist, welche auf einer Seite durch den Wasserstoffdruck und auf der anderen Seite durch den Druck der Elektrolytflüssigkeit beaufschlagt wird, wobei der Druck der Elektrolytflüssigkeit durch eine einstellbare Feder derart verstärkt wird, daß die Größe des das Ventil betätigenden Differentialdruckes regelbar ist.

5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffumlauf durch eine Pumpe erzeugt wird, welche mittels einer durch eine nichtmagnetische Wand auf sie einwirkenden magnetischen Kupplung getrieben wird.

6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des kondensierten Dampfes größeF ist aIs'"ctie~Menge des in^der^ETeIctroTytflussigkeit gebildeten Wassers,

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in der ISTähe der SauerstoffelgEtroden in die Zelle zurückgeführt wird.

7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Umlaufsystem für den Sauerstoff vorgesehen ist, wobei das Überschußkondensat durch Umlauf um den äußeren Teil der Zelle wieder verdampft und sodann in das Sauerstoffumlaufsystem eingeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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