DE1571960C - Verfahren zum Umwälzen eines flüssigen Elektrolyten in einer galvanischen Zelle, z. B. einer Brennstoffzelle, und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Beim Betrieb von Brennstoffzellen und anderen galvanischen Zellen, z. B. Akkumulatoren, mit flüssigem Elektrolyt besteht meist die Aufgabe, den Elektrolyt umzuwälzen, um u. a. in einem äußeren Kreis, in dem ein Aufbewahrungsgefäß für den Elektrolyt enthalten sein kann, eine Kühlung des Elektrolyten und die Entfernung von gebildeten Reaktionsprodukten zu ermöglichen, so daß der Elektrolyt in der Zelle ständig bei optimaler Temperatur und optimaler chemischer Zusammensetzung gehalten werden kann. Für das Umwälzen des Elektrolyten verwendet man bisher gewöhnlich eine Pumpe, aber bei Verwendung von Pumpen besteht einmal die Gefahr, daß die Pumpen verstopft werden und Betriebsstörungen verursachen, und zum artderen läßt sich schwer vermeiden, daß Teile der Pumpen, die mit dem Elektrolyt in Kontakt kommen, korrodieren und der Elektrolyt dadurch verunreinigt wird.

Es sind auch galvanische Zellen bekannt, bei denen der Elektrolytraum mit zwei Aufbewahrungsgefäßen in Verbindung steht. Das erste Aufbewahrungsgefäß ist dabei mit dem Elektrolytraum durch eine Leitung für die Förderung des Elektrolyten nur in Richtung von diesem Gefäß zum Elektrolytraum und das zweite Aufbewahrungsgefäß mit dem Elektrolytraum durch eine Leitung für die Förderung des Elektrolyten nur in Richtung von dem Elektrolytraum zum zweiten Gefäß verbunden. Das zweite Aufbewahrungsgefäß liegt auf einem höheren Niveau als das erste Gefäß und steht über ein Ventil in Verbindung mit dem ersten Aufbewahrungsgefäß, so daß der Elektrolyt vom zweiten zum ersten Gefäß bei geöffnetem Ventil zurücklaufen kann. Der Transport des Elektrolyten vom ersten Gefäß zum Elektrolytraum wird dadurch zustandegebracht, daß das genannte Ventil geschlossen wird, so daß sich im ersten Gefäß ein Druck aufbauen kann, um den Elektrolyten in den Elektrolytraum hinüberzudrücken. Auch bei Verwendung von Ventilen, wie in diesem bekannten Fall, bestellt 'die* Gefahr, daß die Ventile verstopfen und Betriebsstörungen verursachen, und daß die Teile der Ventile, die mit dem Elektrolyt in Kontakt kommen, korrodieren und der Elektrolyt dadurch verunreinigt wird.

Die Nachteile der Pumpen und Ventile werden mit der vorliegenden Erfindung vermieden, die ein Umwälzen des Elektrolyten ermöglicht, ohne daß er in Kontakt mit irgendwelchen beweglichen Elementen' kommt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwälzen eines im Elektrolytraum einer galvanischen Zelle, z. B. einer Brennstoffzelle, befindlichen flüssigen Elektrolyten, bei dem dieser aus einem ersten Auf- ■ bewahrungsgefäß dem Elektrolytraum der Zelle und nach Passieren dieses Raumes einem zweiten Aufbewahrungsgefäß zugeführt wird, in dem das Flüssigkeitsniveau höher ist als im ersten, und von diesem durch eine beide Aüfbewahrungsgefäße verbindende Leitung zum ersten Aufbewahrungsgefäß oberhalb seines Flüssigkeitsniveaus wieder zugeführt und die Förderung des Elektrolyten in der angegebenen Reihenfolge durch Variieren des Druckes in der, Gasphase oberhalb des Elektrolyten im ersten Aufbewahrungsgefäß erreicht wird. Das' Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Gasphase im ersten, mit dem zweiten durch eine mit dem Elektrolyt gefüllte Leitung ständig verbundenen Ausdehnungsgefäß abwechselnd zwischen zwei Werten geändert wird, nämlich einem ersten, bei dem Elektrolyt dem Elektrolytraum und dem zweiten Aufbewahrungsgefäß zugeführt wird, und einem tiefer liegenden, bei dem Elektrolyt vom zweiten zum ersten Aufbewahrungsgefäß zurückläuft, wobei der Druck im ersten Aufbewahrungsgefäß bei der Förderung des ; Elektrolyten zum Elektrolytraum unter einem^: Wert gehalten wird, bei dem ein Durchdrükkenwon Gas vom ersten zum zweiten Aufbewahrungsgefäß stattfinden könnte.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann bei ihrer Anwendung auf Brennstoffzellen die Änderung des Druckes in der Gasphase oberhalb des Elektrolyten im ersten Aufbewahrungsgefäß durch ein in Kontakt mit der Gasphase stehendes strömendes Gas erhalten werden, das erst durch das Aufbewahrungsgefäß oder an diesem vorbei zum oberen Teil des Elektrolytraumes geleitet wird und von dort zum zweiten Aufbewahrungsgefäß. Dabei wird nämlich eine Spülung des oberen Teils des Elektrolytraumes mit Inertgas ermöglicht und so die Bildung von explosiven Gasmischungen in diesem Raum vermieden, die zufolge von Leckage entstehen, z. B. von Wasserstoff und Sauerstoff über die porösen Elektroden von den Gasräumen der Brennstoffzelle, die gasförmigen Brennstoff bzw. Oxydationsmittel enthalten.

Zur Durchführung des_/Verfahrens kann mit Vorteil eine Anordnung benutzt werden, bei der die genannte Änderung des Druckes dadurch erhalten wird, daß die Gasphase oberhalb des Elektrolyten in wenigstens dem einen Aufbewahrungsgefäß an einer Leitung angeschlossen ist, die eine Druckgasquelle und. einen regelbaren Strömungswiderstand für das Gas enthält.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand mehrerer, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigt.

F i g. 1 eine Anordnung, bei der die Gasphase des einen Aufbewahrungsgefäßes an einer Druckgasquelle angeschlossen ist,

F i g. 2 eine Abänderung der Anordnung nach Fig.l,

F i g. 3 eine Anordnung, bei der ein strömendes Gas einmal für das Unterdrucksetzen eines Aufbewahrungsgefäßes und zum anderen für das Entfernen von vorkommenden schädlichen Gasen vom oberen Teil des Elektrolytraumes benutzt wird, und

Fig. 4 schließlich eine Anordnung für die Regelung des Druckes in der Gasphase in einem Aufbewahrungsgefäß. ,

In der folgenden Beschreibung ist eine Brennstoffzelle als Beispiel für galvanische Elemente gewählt, bei denen die Erfindung angewendet werden kann.

Die Brennstoffzelle 1 in F i g. 1 enthält zwei poröse Elektroden 2 und 3. Zwischen den Elektroden im Elektrolytraum 4 befindet sich der Elektrolyt 4a, z. B. Kalilauge. Außerhalb der Elektroden 2 befindet sich ein Gasraum5,,der einen gasförmigen Brennstoff, z. B. Wasserstoff, enthält, der über die Leitung 6 zugeführt wird. Unverbrauchter Brennstoff entweicht über die Leitung 6«. Außerhalb der Elektrode 3 befindet sich ebenfalls ein Gasraum 7, der ein gasförmiges Oxydationsmittel, z. B. Sauerstoff, enthält, das über die Leitung 8 zugeführt wird. Unverbrauchtes Oxydationsmittel entweicht über die

3 4

Leitung 8α. Der untere Teil des Elektrolytraumes 4 aus bei der Elektrolytreaktion gebildeten Gasen. !:i

ist mit einer Leitung 9 an einem ersten Aufbewah- der gezeigten Anordnung erstreckt sich die Leitung

rungsgefäß 10 für den Elektrolyt und der obere Teil 18 von der Druckgasquelle zum oberen Teil des

des Elektrolytraumes 4 mit der Leitung 11 an einem Elektrolytraumes. Die Zweigleitung 30 enthält ein

zweiten Aufbewahrurigsgefäß 12 für den Elektrolyt 5 Drosselventil 31 und die Standleitung 18 ein Ma-

angeschlossen. Das zweite Aufbewahrungsgefäß 12 gnetventil 29. Auch in dieser Anordnung dient das

ist mit dem ersten Aufbewr.hrungsgefäß 10 durch Ventil 20 als regelbarer Strömungswiderstand für das

eine Leitung 21 verbunden. Der Transport des EIek- Gas. In der Leitung 21 ist weiter schematise!! eine

trolyten durch die Leitungen geschieht in der von. Anordnung 32 eingeführt, die eine Kühlanordnung

den Pfeilen angegebenen Richtung. In jedem der Ge- io oder eine Reinigungsanlage sein kann. Falls die Brenn-

fäße 10 und 12 liegen die Auslaufe 13 und 14 der stoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeitet,

Leitungen 9 und 21 für den Elektrolyt auf einem bildet sich Wasser bei der Reaktion. Es kann dabei

niedrigeren Niveau als die entsprechenden Einlaufe auch zweckmäßig sein, dieses Wasser in eine Ein-

15 und 16 für den Elektrolyt. Der Auslaß 13 sowie dampfungsanlage zu leiten, die dann mit Vorteil in

der Einlaß 15 befinden sich weiter auf einem nie- 15 einem besonderen Kreis an einem der Aufbewah-

drigeren Niveau als der Auslaß 14. Der obere Teil rungsgefäße angeordnet werden kann,

des Gefäßes 12 ist mit einem Ableitungsrohr 17,ver- Die Elektrolytströmung in der Anordnung nach

sehen. Das Gefäß 10 ist mit einer Leitung 19 an einer Fig. 3 wird in der für die Anordnung nach Fig. Γ

Leitung 18 angeschlossen, die zu einer nicht gezeig- beschriebenen Weise zustandegebracht, aber mit der

ten äußeren Druckgasquelle, z. B. Luft oder Stick- 20 folgenden Abänderung. Wenn das Magnetventil 29

stoff, mit konstantem Druck führt und einen regel- sich öffnet, steigt der Gasdruck im Gefäß 10, was

baren Strömungswiderstand für das Gas in der Form einen Transport des Elektrolyten in der zuvor be-

eines Drosselventils 20 enthält. Die Druckgasquelle schriebenen Weise zum Gefäß 12 bewirkt. Wenn das

kann mit einem Reduzierventil od. dgl. versehen sein, Ventil 29 geschlossen wird, fließt der Elektrolyt vom

so daß sie auf einen Druck von gewünschtem Niveau 25 Gefäß 12 zurück zum Gefäß 10. Die Ventile 31 und

eingestellt werden kann. . 20 werden die ganze Zeit wenigstens etwas offen gc-

Bei Umwälzen des Elektrolyten im Elektrolytkreis halten, so daß das Gas die ganze Zeit, auch wenn wird erst das Ventil 20 gedrosselt, so daß der Druck das Ventil 29 geschlossen ist, über die Leitungen 30 in der Gasphase im Gefäß 10 steigt. Dies bewirkt, und 18 in den Elektrolytraum 4 strömt. Wenn das daß Flüssigkeit aus dem Gefäß durch die Leitung 9 3° Ventil 29 offen ist, nimmt somit der Gasstrom in der herausgedrückt wird. Das Flüssigkeitsniveau im Rohr Leitung 18 zu und der Druck in dem hinter dem 22 wird dabei auch sinken, was zur Folge hat, daß Ventil 20 gelegenen Teil der Leitung 18 wird kleiner eine unbedeutende Flüssigkeitsnienge auch durch die als der Druck in der Elektrolytleitung 9, so daß die Leitung 21 herausgedrückt wird. Der Transport des Gefahr ausgeschlossen ist, daß Elektrolyt in der Lei-Elektrolyten durch die Leitung 9 bewirkt auch eine 35 tung 9 nach rückwärts gedrückt wird. Sicherheits-Strömung durch den Elektrolytraum 4, die Leitung halber kann man in die Leitung 9 ein zusätzliches 11 und durch das Rohr 23 mit dem Auslaß 16 zum Magnetventil 33 schalten, das mit dem Magnetventil Aufbewahrungsgefäß 12. Durch Vermindern der 29 parallel geschaltet ist.

Drosselung des Ventils 20 wird dann der Druck im Wenn die Elektrolytgefäße 10 und 12 in den AnGefäß 10 gesenkt, so daß Elektrolyt im Gefäß 12 von 40 Ordnungen nach F i g· I bis 3 so hoch gestellt werselbst zum Gefäß 10 durch den Auslaß 14 und die den, daß die Flüssigkeitsniveaus in ihnen sich über Leitung 21 mit dem Einlaß 15 fließen kann. Natur- dem Elektrolytniveau im Elektrolytraum 4 befinden, Hch muß, damit dieser Verlauf stattfinden kann, der braucht man niemals zu befürchten, daß das Elektro-Druck im Gefäß 10 auf einen Wert unter dem hydro- lytnivau im Elektrolytgefäß zu niedrig wird,
statischen Druck des Elektrolyten im Gefäß 12 ge- 45 In Fig. 4 ist eine Abänderung des Aufbewahsenkt werden. rungsgefäßes nach Fig. 1 bis 3 gezeigt. Die Va-

In der Anordnung nach Fig. 2 wird die Gas- riierung des Druckes in der Gasphase im Gefäß 10 quelle, die den gasförmigen Brennstoff für die Brenn- kann nach dieser Ausführung außer mit dem DrOsstoffzellen liefert, als Druckgasquelle zum Variieren selventil 20 auch mit einem Schwimmkörper 34 erdes Druckes im ersten Aufbewahrungsgefäß 10 be- 50 reicht werden, dessen vertikale Bewegung z.B. von nutzt. Der in der Brennstoffzelle unverbrauchte einem perforierten Zylinder 35 gesteuert wird, und Brennstoff wird dabei von der Leitung 6a zur Lei- durch eine mit dem Schwimmkörper zusammenwirtung 18 gebracht. Natürlich kann man in entspre- kende Dichtungsanordnung, die z. B. aus einer Kuchender Weise das unverbrauchte Oxydationsmittel gel 36 besteht, die gegen einen Sitz 37 dichtet. Der ausnutzen. Der Elektrolyttransport im Elektrolytkreis 55 Schwimmkörper ist mit einer Verlängerung 38 vergeschieht wie in der Anordnung nach F i g. 1 durch sehen, deren Form sich an die Form des Loches 39 Änderung der Drosselung des Ventils 20. 42 bezeich- · im Sitz 37 anschließt. Wenn der Elektrolyt in das net ein Reduzierventil, mit dessen Hilfe der Druck Gefäß 10 eingeführt wird und auf ein gewisses Nivon der Druckgasquelle auf ein gewünschtes Niveau veau gestiegen ist, hebt der Schwimmkörper die eingestellt werden kann. . 60 Kugel 36, so daß Gas einströmen, das Flüssigkeits-

F i g. 3 zeigt eine Abänderung der Anordnung nach niveau senken und dadurch einen Transport des

F i g. 1, wobei ein strömendes Inertgas von der Elektrolyten durch die Leitung 9 zustandebringen

Druckquelle auch zum Wegspülen der im oberen kann. Wenn das Flüssigkeitsniveau im Gefäß lO so

Teil des Elektrolyten angesammelten schädlichen weit gesenkt worden ist, daß die Kugel 36 durch das

oder explosiven Gase benutzt wird. Diese können 65 Absinken des Schwimmers 34 gegen den Sitz 37

aus gasförmigem Brennstoff und gasförmigem Oxy- dichtet, sinkt das Flüssigkeitsniveau weiterhin, bis der

dationsmittel bestehen, das über die porösen Elek- Druck im Gefäß 10 dem hydraulischen Druck im

troden in den Elektrolytraum eingedrungen ist, oder Gefäß 12 entspricht, wonach das Flüssigkeitsniveau

im Gefäß 10 steigt, während Gas über die Leitung 41 mit dem Drosselventil 40 herausströmt. Der beschriebene Vorgang wird dann wiederholt.

Natürlich können die Gefäße 10 und 12 wie in den gezeigten Anordnungen zu einer Einheit zusammengebaut sein.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ■1. Verfahren zum Umwälzen eines im Elektrolytraum einer galvanischen Zelle, z. B. einer Brennstoffzelle, befindlichen flüssigen Elektrolyten, bei dem dieser aus einem ersten Aufbewahrimgsgefäß dem Elektrolylraum der Zelle und nach Passieren dieses Raumes einem zweiten ig Aufbewahrungsgcfäß zugeführt wird, in dem das Flüssigkeilsniveau höher ist als im ersten, und von diesem durch eine beide. Aufbewahrungsgefäße verbindende Leitung zum ersten Aufbewahrungsgefäß oberhalb seines Flüssigkeitsniveaus wieder zugeführt und die Förderung des Elektrolyten in . der angegebenen Reihenfolge durch Variieren des Druckes in der Gasphase oberhalb des Elektrolyten im ersten Aufbewahrungsgefäß erreicht wird, dadurch.gekennzeichnet, daß der Druck in der Gasphase im ersten, mit dem zweiten durch eine mit dem Elektrolyt gefüllte Leitung (21) ständig verbundenen Ausdehnungsgefäß (10) abwechselnd zwischen zwei Werten geändert wird, nämlich einem ersten, bei dem Elektrolyt dem Elektrolytraurn (4) und . dem zweiten Aufbewahrungsgefäß (12) zugeführt wird, und einem tiefer liegenden, bei dem Elek-, trolyt vom zweiten zum ersten Aufbewahrungsgefäß zurückläuft, wobei der Druck im ersten Aufbcwahrungsgefäß (10) bei der Förderung des Elektrolyten zum Elektrolytraum (4) unter einem Wert gehalten wird, bei dem ein Durchdrücken Von Gas vom ersten zum zweiten Aufbewahrungsgefäß stattfinden könnte.

   ; 2. Verfahren nach Anspruch 1 bei Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Druckes in der Gasphase oberhalb des Elektrolyten im ersten Aufbewahrungsgefäß (10) durch ein in Kontakt mit der Gasphase stehendes strömendes Gas zustandegebracht wird, das nach seinem Weg durch das Aufbewahrungsgefäß oder an diesem vorbei zum oberen Teil des Elektrolytraumes (4) und von dort zum zweiten Aufbewahrungsgefäß (12) geleitet wird.

   3. Anordnung bei galvanischen Zellen, z. B. einer Brennstoffzelle mit einem in einem Elektrolytraum angeordneten flüssigen Elektrolyt zum Umwälzen des Elektrolyten durch den Elektrolytraum gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphase oberhalb des Elektrolyten in dem ersten Aufbewahrungsgefäß (10) an einer Leitung (18) angeschlossen ist, die eine Druckgasquelle und einen regelbaren Strömungswiderstand (20) für das Gas enthält.

   4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (18) mit der Druckgasquelle und dem regelbaren Strömungswidersland (20) für das Gas auch am oberen Teil des Elektrolytraumes (4) angeschlossen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen