DE1596221C3

DE1596221C3 - Verfahren zur Abtrennung des Reaktionswassers aus Brennstoffelementen

Info

Publication number: DE1596221C3
Application number: DE1596221A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. Kozdon; Ferdinand Von Dipl.-Chem. Dr. Sturm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-01-09
Filing date: 1966-03-30
Publication date: 1975-08-28
Also published as: FR93105E; GB1138830A; DE1596221B2; DE1596221A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung des Reaktionswassers aus mit wasserstoffhaltigem Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel betriebenen Brennstoffelementen, wobei der durch die Verlustwärme aufgeheizte Elektrolyt durch einen Elektrolytkühler zirkuliert und mit einem der Reakionsgase des Brennstoffelementes in Kontakt gebracht wird, das aus dem Elektrolyten Wasser in Dampfform aufnimmt und abführt und vor der Einleitung in das Brennstoffelement durch einen Wasserabscheider geleitet wird.

Zur Abtrennung des in Brennstoffelementen bei der Reaktion zwischen dem wasserstoffhaltigen Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel entstehenden Wassers sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, beispielsweise die Konzentrierung des Elektrolyten durch Abdampfen des Wassers oder die dialytische Abtrennung. Die Abtrennung durch Verdampfen kann innerhalb oder außerhalb der Brennstoffelemente erfolgen und erfordert einen zusätzlichen Energieaufwand, der den Wirkungsgrad eines mehrere Brennstoffelemente enthaltenden Aggregates herabsetzt. Es sind andererseits auch bereits Anordnungen beschrieben worden, in denen eines der Reaktionsgase, beispielsweise Wasserstoff, eine Brennstoffbatterie und einen Wasserkondensator im Kreislauf durchläuft. Da in Brennstoffelementen im allgemeinen keine Einstellung der Wasserdampfsättigung der Reaktionsgase erreicht wird, ist auch bei solchen Verfahren der Energieaufwand beträchtlich, denn die übliche Elektrodenstruktur ist wegen der anderen an sie gestellten Forderungen nicht auf eine schnelle Gleichgewichtseinstellung zwischen Wasserdampf

ίο und Reaktionsgas hin entwickelt.

Ausdampf- und Destillieranlagen für Flüssigkeiten und Lösungen aller Art sind bekannt. Aus der britischen Patentschrift 780 272, welche ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Destillation wäßriger SaIzlösungen zur Gewinnung von Trinkwasser betrifft, ist es bekannt, die erhitzte Salzlösung zur teilweisen Verdampfung des Wassers mit erhitztem Gas, insbesondere Luft, bei einer Temperatur unterhalb des Siedepunktes der Salzlösung und bei vermindertem Druck in Berührung zu bringen. Das erhaltene, aus Wasserdampf und Gas bestehende Gasgemisch wird von der verbleibenden Salzlösung getrennt, und wenigstens ein Teil dieses Gasgemisches wird komprimiert und erhitzt. Das gesamte erhitzte und komprimierte Gasgemisch tritt anschließend in Wärmeaustausch mit der zu erhitzenden Salzlösung und dem zu erhitzenden Gas, und das dabei aus dem Gasgemisch auskondensierte Wasser wird vom Gas getrennt und gesammelt. Aus der ausgelegten deutschen Patentanmeldung K 24 930 I a/17 a sind ein mit einer Wärmepumpe arbeitendes Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausdampfen von Flüssigkeiten, Gemengen und Lösungen mit Flüssigkeitserwärmung durch den Kondensator der Wärmepumpe und Flüssigkeitsverdunstung in Luft oder einem anderen inerten Hilfsgas als Brüdenträger in einem Verdunster bekannt. Dabei kühlt bei in sich geschlossenem eigenem Kreislauf des Wärmepumpenarbeitsmittels der Verdampfer der Wärmepumpe das über ihn strömende Hilsgas unter den Taupunkt ab und entfeuchtet es, worauf das so getrocknete Hilfsgas zum Verdunster strömt, um den Brüdendampf aufzunehmen. Bei diesen bekannten Verfahren sind eine Reihe von energieverbrauchenden Einzelschritten erforderlich, die einer Übertra- (

gung dieser Verfahren auf Brennstoffelemente bzw. Brennstoffbatterien im Wege stehen. Derartige Vorrichtungen zur Energieerzeugung müssen nämlich in energetischer Hinsicht autark sein, so daß durch den Energieverbrauch zusätzlich erforderlicher Hilfsaggregate der Wirkungsgrad beträchtlich gesenkt werden würde.

Es ist daher in dem Hauptpatent vorgeschlagen worden, bei der Abtrennung des Reaktionswassers aus mit wasserstoffhaltigem Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel betriebenen Brennstoffelementen, wobei der durch die Verlustwärme aufgeheizte Elektrolyt durch einen Elektrolytkühler zirkuliert, den Ort der Gleichgewichtseinstellung zwischen dem Wassergehalt des Elektro- lyten und dem als Wasserdampfträger verwendeten Gas aus dem Brennstoffelement herauszuverlegen. Dies wird entsprechend dem im Hauptpatent beschriebenen Verfahren dadurch erreicht, daß der Elektrolyt im Elektrolytkühler mit einem Gas in Kontakt gebracht wird, das aus dem Elektrolyten Wasser in Dampfform aufnimmt und abführt, und daß als Gas eines der Reaktionsgase des Brennstoffelementes verwendet wird, welches zunächst dem Elektrolytkühler

zugeführt und anschließend vor der Einleitung in das Brennstoffelement durch einen Kompressor und einen Wasserabscheider geleitet wird. Bei der erhöhten Elcktrolyttemperatur, der Elektrolyt wird durch die Verlustwärme der Brennstoffelemente aufgeheizt, sättigt sich das Gas im Elcktrolytkühler mit Wasserdampf.

Da zur Wasserabreicherung des Elektrolyten oft sehr viel mehr Gas gebraucht wird als die Brennstolfelemente an Reaktionsgas benötigen, wird im Hauptpatent weiterhin vorgeschlagen, das Reaktionsgas teilweise in einem gesonderten Kreislauf durch den Elektrolytkühler, den Kompressor und den Wasserabscheider zu führen. Da aus dem Kreislauf laufend ein Teil des Reaktionsgases entnommen und den Brennstoffelementen zugeführt wird, wird die entnommene Menge an Reaktionsgas aus einem Reservoir (Speicher) am Eingang des Elektrolytkühlers laufend ergänzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das im Hauptpatent vorgeschlagene Verfahren zur Abtrennung des Reaktionswassers aus mit wasscrstoffhaltigem Brennstoff und einem sauerstolThaltigen Oxidationsmittel betriebenen Brennstoffelementen, wobei der durch die Verlustwärme aufgeheizte Elektrolyt durch einen Elektrolytkühler zirkuliert und mit einem der unter Druck stehenden Reaktionsgase des Brennstoffelementes in Kontakt gebracht wird, das aus dem Elektrolyten Wasser in Dampfform aufnimmt und abführt und vor der Einleitung in das Brennstoffelement durch einen Wasserabscheider geleitet wird, insbesondere bezüglich der Energiebilanz weiter zu verbessern.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß dem Elektrolytkühler ein Konzentrator vorgeschaltet wird, in welchem der zur Aufnahme des Wassers in Dampfform notwendige Kontakt zwischen dem Elektrolyten und dem Reaktionsgas erfolgt.

Als Konzentrator wird beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft ein Aggregat verwendet, in welchem der erhitzte Elektrolyt — ähnlich wie in einer Rieselkolonne — in fein verteilter Form von oben nach unten strömt. Die Verteilung der Flüssigkeit im Konzentrator kann in bekannter Weise durch siebartige Bleche oder ähnliche Vorrichtungen erfolgen oder aber auch durch geeignete Füllkörper, wie Raschigringe aus Glas bzw. Keramik. Das für die Wasserdampfabführung vorgesehene Gas wird im Konzentrator vorteilhaft senkrecht zu der bewegten Elektrolytflüssigkeit geführt, jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Das Dampfträgergas kann beispielsweise auch im Gegenstrom zum Elektrolyten geführt werden.

Wie der Elektrolytkühler muß auch der Konzentrator aus korrosionsfestem Material bestehen, beispielsweise aus einem Kunststoff, wie Plexiglas.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das im Konzentrator mit Wasserdampf beladene Trägergas, d. h. das Reaktionsgas, vor der Einleitung in das Brennstoffelement erst durch einen Kühler und dann durch den Wasserabscheider geleitet werden. Besonders vorteilhaft wird das Reaktionsgas dabei teilweise im Kreislauf geführt, wobei der Kreislauf den Konzentrator, den Kühler, den Wasserabscheider und einen Kompressor umfaßt, und das im Brennstoffelement verbrauchte Reaktionsgas aus einem Speicher am Eingang des Konzentrators laufend ergänzt.

An Hand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

In der Figur ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, die sich insbesondere bei der Verwendung von Luft als Reaktionsgas eignet. Der durch die Verlustwärme aufgeheizte Elektrolyt verläßt das Brennstoffelement 1 beim Auslaß 2 und gelangt durch eine Leitung 3 in einen Konzentrator 4, den er in fein verteilter Form von oben nach unten durchströmt. Senkrecht zur Strömungsrichtung des Elektrolyten wird von einem Kompressor 5 über eine Leitung 6 die Luft in den Konzentrator 4 eingeleitet, die nach Absättigung mit Wasserdampf über einen Kühler 7, beispielsweise einen Luftkühler, und einen Wasserabscheider 8 dem Einlaß 13 des Brennstoffelementes zugeführt wird. Im Wasserabscheider 8 wird das im Kühler 7 kondensierte Wasser über ein Auffanggefäß 9 ausgeschieden. Der Elektrolyt strömt nach Verlassen des Konzentrators 4 über eine Leitung 10 durch einen Elektrolytkühler 11 und anschließend zum Einlaß 12 des Brennstoffelementes. Im vorliegenden Fall, bei dem das Dampfträgergas Luft ist, stellt die Einlaßstelle 13 gleichzeitig den Einlaß für das oxidierende Reaktionsgas des Brennstoffelementes dar. Der Einlaß für das zweite Reaktionsgas des Brennstoffelementes, beispielsweise Wasserstoff, ist mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet.

Da bei niederer Zelltemperatur die für den Betrieb des Brennstoffelementes notwendige Luft für die Abreicherung des Reaktionswassers im Konzentrator 4 nicht ausreicht und eine Gasspülung der Luftelektroden notwendig ist, ist am Brennstoffelement 1 für die Luft ein Auslaß mit einem Reduzierventil 15 vorgesehen.

Gegenüber dem Verfahren nach dem Hauptpatent hat das erfindungsgemäße Verfahren vor allem den Vorteil, daß die zur Aufrechterhaltung des Gasumlaufs erforderliche Kompressorleistung wesentlich herabgesetzt wird. Dies wird durch eine Verminderung des Druckverlustes infoge der Einschaltung des Konzentrators erreicht. Der hohe Druckverlust beim Verfahren nach dem Hauptpatent wird vor allem durch den statischen Druck der Elektrolytsäule und durch die zur Verteilung des Trägergasstromes nötige Energie, die gegen die Oberflächenspannung des Elektrolyten aufgewendet werden muß, hervorgerufen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der zur Aufnahme des Wassers erforderliche Kontakt nunmehr bei erhöhter Temperatur und größerer Oberfläche stattfindet, was eine wirksamere Wasserdampfabführung zur Folge hat. Außerdem findet keine Zerstäubung des Elektrolyten .statt, wodurch eine hohe Reinheit des im Wasserabscheider abgeführten Reaktionswassers gewährleistet ist.

Die Verbesserung, die das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Verfahren nach dem Hauptpatent bringt, wird an Hand des folgenden Leistungsvergleiches aufgezeigt, bei dem die adiabatischen Kompressionsleistungen bei dem unterschiedlichen Druckabfall in den Anordnungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem Verfahren nach dem Hauptpatent verglichen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, d. h. bei der Verwendung eines Konzentrators, ergibt sich am Konzentrator ein Druckabfall Ap = 50 mm WS

(0,005 ata); der Druck des Trägergases beträgt dabei — bei einer Temperatur von 313° K (40° C) — vor dem Kompressor 1 ata (p_a) und nach dem Kompressor 1,005 ata (p_b). Daraus ermittelt sich eine adiabatische Förderhöhe von 45,8 m.

Bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent ergibt sich ein Druckabfall von A_n = 300 mm WS (0,03 ata), wenn das Trägergas im Elektrolytkühler durch eine etwa 200 mm hohe Elektrolytsäule hindurchtreten muß (p_a = 1 ata und p_b = 1,03 ata, Temperatur:

313° K). Daraus ergibt sich eine adiabatische Förderhöhe von 272,2 m.

Da sich — bei gleicher umlaufender Trägergasmenge — die Kompressionsleistungen des Kompressors etwa wie die adiabatischen Förderhöhen verhalten, ist deshalb beim Verfahren nach dem Hauptpatent (bei einem Druckabfall von ca. 300 mm WS) etwa die sechsfache Kompressorleistung (272,2:45,8 = 5,94:1) erforderlich im Vergleich zum erfindungs-

ίο gemäßen Verfahren (Druckabfall ca. 50 mm WS).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abtrennung des Reaktionswassers aus mit wasserstoffhaltigem Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel betriebenen Brennstoffelementen, wobei der durch die Verlustwärme aufgeheizte Elektrolyt durch einen Elektrolytkühler zirkuliert und mit einem der unter Druck stehenden Reaktionsgase des Brennstoffelementes in Kontakt gebracht wird, das aus dem Elektrolyten Wasser in Dampfform aufnimmt und abführt und vor der Einleitung in das Brennstoffelement durch einen Wasserabscheider geleitet wird, nach Patent P 1496230, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektrolytkühler ein Konzentrator vorgeschaltet wird, in welchem der zur Aufnahme des Wassers in Dampfform notwendige Kontakt zwischen dem Elektrolyten und dem Reaktionsgas erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas vor der Einleitung in das Brennstoffelement durch einen Kühler und dann durch den Wasserabscheider geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas teilweise im Kreislauf geführt wird, wobei der Kreislauf den Konzentrator, den Kühler, den Wasserabscheider und einen Kompressor umfaßt, und daß das im Brennstoffelement verbrauchte Gas aus einem Speicher am Eingang des Konzentrator ständig ergänzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt im Konzentrator fein verteilt wird und daß das Reaktionsgas im Konzentrator senkrecht zum fein verteilten, bewegten Elektrolyten geführt wird.