DE1496300C3 - Brennstoffelement mit einem Gasumlaufsystem - Google Patents

Description

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Kammer 23 hineinragt und eine kegelförmige Aus- kritisch. Maßgebend sind praktische erwägungen, wie laßöffnung 32 enthält. Diese kegelförmige Öffnung z. B. die Struktur und Porosität der Elektroden. Der mündet in der Nähe der Zone 33 von verringertem Gasdruck soll beispielsweise nicht so hoch sein, daß Querschnitt. Anschließend an die Zone 33 befindet das Gas durch eine poröse Elektrode hindurchgesich die Zone 34 mit einem sich gegenüber der Zone 5 drückt wird. Die verwendeten Gasdrücke in den übli-33 vergrößernden Querschnitt. Weiter anschließend chen Zellen bewegen sich zwischen etwa 70 und etwa befindet sich die Zone 24, die wieder größeren Quer- 350 g/cm² und können sogar 700 g/cm² betragen, schnitt hat als die Zone 33. Die Zonen 33 und 34 bil- wobei diese Werte die über eine Atmosphäre liegenden ein allgemein bekanntes, sogenanntes Venturi- den Gasdrücke bezeichnen. Auch der Druck des einRohr. Die Form des Gehäuses 30 muß natürlich io geführten Frischgases ist nicht kritisch, sondern abnicht genau dieselbe sein, wie in F i g. 2 gezeigt wird. hängig von praktischen Umständen, wie dem Um-Das Gehäuse 30 kann eine beliebige Form oder fang und der Leistungsfähigkeit des Brennstoffeleeinen beliebigen Umfang haben, die für den ge- mentsystems, der Menge des insgesamt umlaufenden wünschten Zweck genügen. Ein Brennstoffelement Gases, und der Gasmenge, die zur Erzeugung von nach den Fi g. 1 und 2 arbeitet auf seiner Brennstoff- 15 elektrischem Strom benötigt wird. Beispielsweise soll seite wie folgt: Anfangs wird Wasserstoffgas unter der Druck des Frischgases nicht so niedrig sein, im hohem Druck durch die Leitung 22 eingeführt und allgemeinen nicht weniger als 700 g/cm², daß die tritt aus der Düse 32 aus. Der Wasserstoff gelangt Wirksamkeit des Verfahrens und der Vorrichtung zuerst in die Zone 33 und dann in die Zone 34, wo er beeinträchtigt werden. Im allgemeinen wird bei der sich ausdehnt und einen geringeren Druck annimmt 20 Erfindung das Frischgas unter einem Überdruck von als der ursprüngliche Druck. Das ist durch die Pfeile etwa 700 bis 3500 g/cm² eingeführt,
in F i g. 2 gezeigt. Die kinetische Energie des eintre- Es ist klar, daß die Vorrichtung verwendet werden tenden, sich ausdehnenden Wasserstoffs wird dem kann, um Gas durch ein System von Brennstoffele-Wasserstoff in der Gasleitung 20 übertragen. Wenn menten kontinuierlich oder diskontinuierlich hinder Wasserstoff aus der Düse 32 mit einer verhältnis- 25 durchzuführen. Wenn es gewünscht ist, können Mitmäßig hohen Geschwindigkeit austritt, saugt er den tel vorgesehen werden, um die Gasmenge, die den Wasserstoff aus der Kammer 23 an. Mit anderen Leitungen 20 und 20' zugeführt wird, zu regeln und Worten wirkt der mit hoher Geschwindigkeit aus der um den Druck des in den Leitungen 20 und 20' flie-Düse 32 in die Zone 33 austretende Wasserstoff als ßenden Gases auf der gewünschten Höhe zu halten. Saugpumpe, welche in der Kammer 23 eine Zone 30 Im Idealfall ist die Menge des Frischgases genau verringerten Druckes erzeugt. gleich derjenigen Gasmenge, die zur elektrochemi-

Die auf den Wasserstoff in der Leitung 20 übertra- sehen Erzeugung von Strom gebraucht wird. Führt

gene kinetische Energie zusammen mit der Saugwir- man eine größere Gasmenge in das System ein, so

kung durch die Düse veranlassen den Wasserstoff, steigt der Druck in den geschlossenen Leitungen 20

durch die Zone 24 und die Leitung 14 zu strömen, 35 und 20', wobei die Geschwindigkeit der Gasströmung

wobei gleichzeitig die Oberfläche 12 α der Anorde 12 herabgesetzt wird und unter Umständen auf Null

beströmt wird. Dann gelangt der Wasserstoff durch sinkt, wenn der Druck innerhalb des Systems dem

den Kondensator 18 und die Zone 25 wieder in die Druck des Frischgases gleich ist. Dies kann vermie-

Kammer 23 und aus dieser in die Zone 33. den werden, wenn man den Gasdruck in den Leitun-

Für die vorliegende Erfindung ist es vorzuziehen, 40 gen 20 und 20' regelt. Ein wirksames Mittel hierfür

daß im wesentlichen das gesamte an der Elektrode ist die Verwendung der Ablaßventile 21 und 21',

12 gebildete Wasser entfernt wird, um eine höchst- durch welche überschüssiges Gas aus den Leitungen

mögliche Leistung des Brennstoffelementes zu erzie- 20 und 20' entfernt wird, wobei der Druck innerhalb

len. Wasser wird an der Elektrode 12 durch elektro- dieses Systems auf einer gewünschten Höhe gehalten

chemische Umsetzung zwischen dem Brennstoff und 45 wird.

dem Oxydationsmittel gebildet und verdampft an der Gasdurchlässige, den Elektrolyten nicht durchlas-

gasseitigen Oberfläche 12 a. Dieses Wasser kann da- sende Elektroden, die für die Erfindung geeignet

durch entfernt werden, daß man durch die Leitung sind, können aus Stoffen, wie z.B. Nickel, Silber,

14 etwa die fünf- bis zwanzigfache Gasmenge leitet, Kohlenstoff, Graphit, Aktivkohle, Mischungen dieser

als zur Erzeugung von elektrischem Strom erforder- 5" Stoffe od. dgl. hergestellt sein.

lieh ist. Durch geeigneten Umlauf einer wärmeaus- Beispiele geeigneter Brennstoffe sind außer Wastauschenden Flüssigkeit kann der Kondensator bei serstoff noch Kohlenmonoxyd, Dämpfe von Alkohoeiner Temperatur gehalten werden, die niedriger ist len, wie Methanol, Äthanol u. dgl., Dämpfe von als die Arbeitstemperatur in dem Brennstoffelement Kohlenwasserstoffen, wie Zyklohexan, Decahydro-10. Diese Temperatur muß so geregelt werden, daß 55 naphthalin, Tetrahydronaphtalin od. dgl. Geeignete ein wesentlicher Teil, vorzugsweise die gesamte Oxydationsmittel sind außer Sauerstoff noch Luft, Menge des Wasserdampfes, aus dem Gas, das durch Chlor od. dgl. Für den Elektrolyten können außer den Kondensator fließt, entfernt wird. Dieses Wasser Kaliumhydroxyd auch andere an sich bekannte alkagelangt in den Behälter 19, von wo es in üblicher lische Stoffe verwendet werden. Es sei bemerkt, Weise entfernt werden kann. Die Arbeitsweise auf ° daß während der elektrochemischen Umsetzung der Sauerstoffseite des Brennstoffelements ist genau außer Wasser auch andere Stoffe aus dem Brennstoff die gleiche wie auf der Brennstoff seite. Auf der und Oxydationsmittel entstehen können; auch diese Sauerstoffseite ist das vom Sauerstoff mitgenommene können durch die Vorrichtung nach der Erfindung Wasser aber das Ergebnis der Verdampfung von entfernt werden. Man kann aus dem Umlauf noch Oberfläche 13 a und nicht das Umsetzungsprodukte 65 andere Fremdstoffe oder Gase entfernen, die nicht zwischen Brennstoff und Oxydationsmittel. das Umsetzungsprodukt aus dem Brennstoff und

Der Druck des fließenden Gases in einem System dem Oxydationsmittel sind, sondern auf eine andere

von Brennstoffelementen ist nicht notwendigerweise Weise in das System gelangen. Hierzu gehört bei-

spielsweise Wasser, das durch Verdampfung aus einer Kaliumhydroxydlösung entsteht.

Es sei ferner bemerkt, daß das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden können, um das Gas in ein einzelnes Brennstoffele- S ment oder in eine Batterie von Elementen eines Brennstoffelementensystems zu führen, oder daß mittels der Erfindung auch nur eine Elektrode auf diese Art mit dem Gas in Berührung gebracht werden kann.

Zum Nachweis der selbsttätigen Einstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde eine Brennstoffzelle ähnlich der in F i g. 1 gezeigten bei einer Temperatur von 50° C betrieben. Der Elektrolyt war eine 9normale Lösung von Kaliumhydroxyd, die Elektroden waren poröse Platten aus Kohlenstoff. Trockendes Wasserstoffgas wurde unter einem Druck von 1050 g/cm² durch das Rohr 22 und die Düse 32 in die Zone 33 eingeführt. In der Zone 34 dehnte sich der Wasserstoff bis auf einen Überdruck von 70 g/cm² aus. Die kinetische Energie durch das sich ausdehnende Gas trieb zusammen mit der Saugwirkung der Düse 32 den Wasserstoff durch die Zone 24, die Leitung 14, die Oberfläche 12 a der Brennstoffelektrode 12, den Kondensator 18, die Zone 25 und die Kammer 23. Der Überdruck des Wasserstoffes in der Zone 25 gerade vor der Kammer 23 betrug auf Grund der Wirkung des Ansaugeffekts der Düse 32 g/cm². Durch die Leitung 14 wurde mehr Gas getrieben, als an der Brennstoffelektrode 12 zur Elektrode von elektrischem Strom verbraucht wurde. Diese Menge genügte, um den Wasserdampf von der Brennstoffelektrode 12 zu entfernen, so daß der Elektrolyt seine Zusammensetzung im wesentlichen nicht änderte. Der vom Wasserstoff hinweggeführte Wasserdampf wurde im Kondensator 18 kondensiert, der mit Hilfe von umlaufendem Kühlwasser auf eine Temperatur von 15° C gehalten wurde. Das niedergeschlagene Wasser gelangte in den Behälter 19. Die Sauerstoffseite der Zelle wurde in der gleichen Weise betrieben.

Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt.

Leistungs abgabe	Wasserstoff- Verbrauch	Wasserstoff umlauf	Verhältnis des Umlaufs zum Verbrauch
KW	kg/ST	kg/St	von Wasserstoff
0,0	0,000	0,00
0,2	0,011	0,22	20:1
0,4	0,023	0,34	15:1
0,6	0,034	0,41	12:1
0,8	0,045	0,49	11:1
1,0	0,057	0,57	10:1

Ein ähnliches System, in welchem die Gase mit Hilfe einer Pumpe zum Umlauf gebracht wurden, brauchte etwa 20% des erzeugten Stromes, um den Motor für die Pumpe zu betreiben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bringt also eine erhebliche Ersparnis an elektrischer Energie mit sich. Sie ist besonders gut anwendbar in kleinen tragfähigen Systemen von Brennstoffelementen.

Die Versuche zeigen ferner, daß bei zunehmender Leistungsabgabe die Menge des umlaufenden Wasserstoffs zunimmt, während gleichzeitig das Verhältnis der Menge des umlaufenden Wasserstoffs zu der Menge des verbrauchten Wasserstoffs abnimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

und der Εϊπίührungsstelle für das Frischgas Mittel zum Ablassen von Gas vorgesehen.

1. Brennstoffelement mit einem Gasumlaufsy- Die Zeichnungen veranschaulichen eine Ausfühstem für die Zufuhr des oder der Betriebsgase an rungsform der Erfindung. Es zeigt

die Elektroden und für die Entfernung der Um- 5 F i g. 1 eine schematische Ansicht einer bevorzug-

setzungsprodukte aus dem umlaufenden Gas, ten Ausführungsform einer Vorrichtung und

dadurch gekennzeichnet, daß für die F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der in

Einspeisung des Frischgases eine kegelförmige F i g. 1 gezeigten Vorrichtung.

Düse (32) vorgesehen ist, deren Spitze in an sich Der Einfachheit halber werden nachstehend ledigbekannter Weise in ein mit der Gasumlauf leitung io lieh solche Vorrichtungen beschrieben, bei welchen (25, 25') eingebautes Venturi-Rohr (33, 34) hin- das Brennstoffelement Elektroden aus porösem Koheinragt und in Richtung des Gaseinlaßendes lenstoff hat und zwischen diesen eine wäßrige Löweist, sung von Kaliumhydroxyd als Elektrolyt angeordnet

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, da- ist; als Brennstoff wird Wasserstoff und als Oxydadurch gekennzeichnet, daß in der Umlaufleitung 15 tionsmittel Sauerstoff verwendet. Es ist aber klar, zwischen der Vorrichtung zum Entfernen der daß die Erfindung auch bei anderen an sich bekann-Umsetzungsprodukte (18, 18', 19, 19') und der ten Brennstoffelementen anwendbar ist, wie unten im Einführungsstelle für das Frischgas Mittel (21, einzelnen gezeigt wird. Der Ausdruck »Gas«, wie er 21') zum Ablassen von Gas vorgesehen sind. hier verwendet wird, bezieht sich auf alle für die

20 Verwendung von Brennstoffelementen geeigneten Gase und umfaßt sowohl Brennstoff gase wie oxydie-Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement mit rende Gase.

einem Gasumlaufsystem für die Zufuhr des oder der In der F i g. 1 ist das Brennstoffelement mit 10 be-

Betriebsgase an die Elektroden und für die Entfer- zeichnet. Es besteht aus einem geeigneten Gehäuse nung der Umsetzungsprodukte aus dem umlaufenden 25 11, einer Brennstoffelektrode 12 aus porösem Koh-Gas. lenstoff mit einer gasseitigen Oberfläche 12 a, einer

In Brennstoffelementen entstehen bei der Umset- Sauerstoffelektrode 13 aus porösem Kohlenstoff mit zung des Brennstoffs mit dem Oxydationsmittel Um- . einer gasseitigen Oberfläche 13 a, einer wäßrigen Lösetzungsprodukte, z.B. Wasser bei der Verwendung sung von Kaliumhydroxyd als Elektrolyt 16, einer von Wasserstoff und Sauerstoff. Beim kontinuierli- 30 Gasleitung 14, die für den Durchlaß eines Brennchen Betrieb unter Verwendung umlaufender Gase stoffgases in Berührung mit der Gasoberfläche 12 a müssen diese Umsetzungsprodukte laufend entfernt die Brennstoffelektrode 12 berührt, eine ähnliche werden, um die Zusammensetzung des Elektrolyten Gasleitung 15, die der Sauerstoffelektrode 13 anliegt, nicht zu ändern. um ein oxydierendes Gas in Berührung mit der Gas-

Es ist bekannt, in solchen Brennstoffelementen 35 oberfläche 13 a hindurchfließen zu lassen. Die Gaseinen Gasumlauf mit Hilfe von Pumpen zu erzielen. leitungen 14 und 15 werden mitunter auch als die Hierbei kann das Umsetzungsprodukt wie z. B. Gaszuführungsseiten für die Elektroden von Brenn-Wasser in Dampfform von dem umlaufenden Gas- Stoffzellen bezeichnet. Der in der Zelle 10 erzeugte strom mitgenommen werden und beispielsweise elektrische Strom fließt durch eine Leitung 17, die durch Abkühlung und Kondensation aus diesem ent- 40 elektrisch mit den Elektroden verbunden ist. An der fernt werden. Es ist auch möglich, das entstandene Brennstoffseite der Zelle 10 ist eine geschlossene Wasser durch Absorption an Absorbern zu entfer- Gasleitung 20 in Verbindung mit der Gasleitung 14 nen, wie es z. B. in der belgischen Patentschrift angeordnet. Eine entsprechende Gasleitung 20' steht 636 538 beschrieben ist. in Verbindung mit der Gasleitung 15 auf der Sauer-

Alle diesen bekannten Brennstoffelemente haben 45 Stoffseite der Zelle. Die Gasleitungen 20 und 20' entden Nachteil, daß zum Aufrechterhalten des Gas- halten Kammern 23 und 23' und Zonen 24 und 24', kreislaufes Energie benötigt wird. Außerdem ermög- die von den Kammern 23 und 23' zu den Leitungen liehen sie es nicht, den Umlauf der Gase und die 14 und 15 führen. Diejenigen Teile der Gasleitungen Entfernung der entstehenden Umsetzungsprodukte 20 und 20', die von den Leitungen 14 und 15 zu den selbsttätig der Stromabnahme anzupassen. 50 Kammern 23 und 23' führen, sind mit 25 und 25' beAufgabe der Erfindung ist ein Brennstoffelement zeichnet und können Umlaufzonen genannt werden, der erwähnten Art mit einem Gasumlaufsystem für Die Umlaufzonen 25 und 25' enthalten Kondensatodie Zufuhr des oder der Betriebsgase an die Elektro- ren 18 und 18', um den Wasserdampf, der vom Gas den und für die Entfernung der Umsetzungsprodukte von den Elektroden 12 und 13 mitgeführt wurde, zu aus dem umlaufenden Gas, das für seinen Betrieb 55 entfernen. Die Behälter 19 und 19' sind zum Auffankeine zusätzliche Energie benötigt und bei welchem gen des aus dem Gas kondensierten Wassers vorgeseder Umlauf der Gase und die Entfernung der entste- hen. An Stelle der Kondensatoren 18 und 18' können henden Umsetzungsprodukte selbsttätig der Stromab- natürlich auch andere, an sich bekannte Mittel zur nähme angepaßt sind. Entfernung von Wasserdampf aus einem Gas ver-

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß für die 60 wendet werden. Beispiele solcher anderer Mittel sind Einspeisung des Frischgases eine kegelförmige Düse feste Adsorptionsmittel, wie Calciumchlorid, Silicavorgesehen ist, deren Spitze in an sich bekannter gel, Aktivkohle, Molekularsiebe od. dgl. Mittels der Weise in ein die Gasumlaufleitung eingebautes Ven- Ventile 21 und 21' können in Zeitabständen angeturi-Rohr hineinragt und in die Richtung des Gasein- sammelte inerte Gase aus den Leitungen 20 und 20' laßendes weist. 65 abgelassen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- Die F i g. 2 zeigt eine vergößerte Ansicht der in

dung sind in der Umlaufleitung zwischen der Vor- F i g. 1 gezeigten Kammer 23. Die Kammer 23 entrichtung zum Entfernen der Umsetzungsprodukte hält ein Gehäuse 30, eine Zufuhrleitung 22, die in die