DE1596278C3

DE1596278C3 - Method and device for removing the water of reaction from the electrolyte of fuel batteries

Info

Publication number: DE1596278C3
Application number: DE1596278A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr.-Ing. 5800 Hagen Brinkmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1966-03-16
Filing date: 1966-03-16
Publication date: 1975-07-10
Also published as: DE1596278B2; DE1596278A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Entfernung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffbatterien mit Elektrolytkreislauf. The invention relates to a method and devices for removing the water of reaction from the Electrolytes from fuel batteries with an electrolyte circuit.

. Es ist bekannt, nach einem in der französischen Patentschrift 1 325 239 angegebenen Verfahren das Reaktionswasser aus dem Elektrolyten einer Brennstoffbatterie durch eine in den Elektrolytkreislauf eingeschaltete Elektrodialysezelle zu entfernen. Hierzu wird jedoch ein erheblicher Teil der von der Brennstoffbatterie gelieferten elektrischen Energie verbraucht.. It is known that the water of reaction can be converted into the water of reaction according to a method specified in French patent specification 1,325,239 from the electrolyte of a fuel battery through one connected to the electrolyte circuit Remove the electrodialysis cell. For this purpose, however, a considerable part of that supplied by the fuel battery is used electrical energy consumed.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 067 490 ist bereits bekannt, das Reaktionswasser aus dem Elektrolyten über den Gaskreislauf zu entfernen. Das Reaktionswasser verdampft aus dem Elektrolytraum durch die porösen Gasdiffusionselektroden in den Gasraum und wird in einem Kühler kondensiert.The German Auslegeschrift 1,067,490 already discloses the water of reaction from the electrolyte to be removed via the gas circuit. The water of reaction evaporates from the electrolyte space through the porous gas diffusion electrodes in the gas space and is condensed in a cooler.

Bei diesem Verfahren wird für die notwendige Förderpumpe im Gaskreislauf ein Teil der Leistung der Brennstoffbatterie verbraucht. Außerdem geht bei der Kondensation Wärmeenergie an das Kühlmittel, beispielsweise die Luft der Umgebung, verloren. Das Verfahren ist daher nicht zweckmäßig für Brennstoffbatterien, bei denen die Betriebstemperatur nicht durch die entstehende Verlustwärme aufrechterhalten wird. Die Verdampfung des Wassers aus dem Elektrolyten wird begünstigt bei Betriebstemperaturen oberhalb 100⁰C, und das Verfahren ist nicht so wirksam bei Brennstoffbatterien mit einer Betriebstemperatur unterhalb 100⁰C.With this method, part of the power of the fuel battery is used for the necessary feed pump in the gas circuit. In addition, thermal energy is lost to the coolant, for example the surrounding air, during condensation. The method is therefore not suitable for fuel batteries in which the operating temperature is not maintained due to the resulting heat loss. The evaporation of the water from the electrolyte is favored at operating temperatures above 100 ^° C., and the method is not as effective with fuel batteries with an operating temperature below 100 ^° C.

Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Entfernung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffbatterien zu finden, das für niedrige Betriebstemperaturen geeignet ist und die Wärmeverluste verringert.The object was therefore to find a method for removing the water of reaction from the electrolyte of fuel batteries to find that is suitable for low operating temperatures and the heat losses decreased.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Elektrolyt in einen unter Unterdruck stehenden Verdampferraum geführt und das verdampfte Reaktionswasser in einen unter einem höheren Druck stehenden Kondensationsraum eingebracht wird und dort kondensiert, wobei die Elektrolytflüssigkeit als Kühlmittel für den Kondensationsraum dient.According to the invention, this object is achieved in that the electrolyte is in a vacuum Evaporation chamber out and the evaporated water of reaction in a under a higher pressure standing condensation space is introduced and condensed there, the electrolyte liquid as Coolant is used for the condensation space.

Bei dem Verfahren wird durch die zwischen den beiden Räumen angeordnete Förderpumpe in dem Verdampferraum ein Unterdruck gegenüber dem Kondensationsraum erzeugt. Dadurch ist die Verdampfungstemperatur niedriger als die Kondensationstemperatur des Wasserdampfes im Kondensationsraum. Es ist also möglich, die auf die Verdampfungstemperatur aufgeheizte Elektrolytlösung im Verdampferraum als Kühlmittel für den Kondensationsraum zu verwenden. Von dem Elektrolyten wird die Wärmemenge aufgenommen, welche der Wasserdampf abgibt, wenn er von der durch die adiabatische Kompression in der Förderpumpe erhöhten Temperatur auf die Kondensationstemperatur abgekühlt wird. Außerdem wird die Kondensationswärme, welche praktisch der bei der Verdampfung des Wassers verbrauchten Wärmemenge entspricht, frei und wird vom Elektrolyten aufgenommen. Schließlich wird von der Elektrolytflüssigkeit im Verdampfer noch die Wärmemenge ganz oder teilweise aufgenommen, weiche der Abkühlung des Kondenswassers von der Kondensationstemperatur auf die Elektrolyttemperatur entspricht. Die Rückgewinnung der für die Wasserausbringung aufgebrachten Wärmemenge wird noch verbessert, wenn das Wasser in einem zusätzlichen Wärmeaustauscher durch die verdünnte Elektrolytflüssigkeit weiter abgekühlt wird, die sich auf der Betriebstemperatur der Brennstoffbatterie befindet und aus dem Elektrolytraum der Batterie in den Verdampfungsraum gefördert wird. Diese Elektrolytflüssigkeit ist auch geeignet als Kühlflüssigkeit für den mit der Verdampfungstemperatur aus dem Verdampfer in den Elektrolytraum der Batterie zurückströmenden Elektrolyten, der auf diese Weise annähernd die Betriebstemperatur der Batterie erreicht.In the process, the feed pump arranged between the two spaces is used in the evaporator space creates a negative pressure in relation to the condensation space. This means that the evaporation temperature is lower than the condensation temperature of the water vapor in the condensation room. So it is possible to use the heated to the evaporation temperature To use electrolyte solution in the evaporator room as a coolant for the condensation room. from the electrolyte absorbs the amount of heat that the water vapor gives off when it is removed from the the adiabatic compression in the feed pump increases the temperature to the condensation temperature is cooled. In addition, the heat of condensation, which is practically that of the evaporation corresponds to the amount of heat consumed by the water and is absorbed by the electrolyte. In the end is the amount of heat absorbed by the electrolyte liquid in the evaporator in whole or in part, soft to the cooling of the condensation water from the condensation temperature to the electrolyte temperature is equivalent to. The recovery of the amount of heat used for the application of water is still going on improved when the water in an additional heat exchanger through the diluted electrolyte liquid is further cooled, which is at the operating temperature of the fuel battery and off the electrolyte space of the battery is conveyed into the evaporation space. This electrolyte fluid is Also suitable as a cooling liquid for those with the evaporation temperature electrolytes flowing back from the evaporator into the electrolyte compartment of the battery, which in this way almost reaches the operating temperature of the battery.

Die Differenz zwischen der Verdampfungstemperatur und der Kondensationstemperatur ist im wesentlichen bestimmt durch die zwischen den beiden Räumen herrschende Druckdifferenz, und daher wird der absolute Druck in dem Verdampferraum entsprechend den übrigen Betriebsbedingungen gewählt. Bei Batterien mit einer Elektrolyttemperatur oberhalb 100⁰C wird beispielsweise der Druck im Verdampferraum bereits über 1 Atm. liegen. Der Druck im Kondensationsraum ist dann noch höher und es ist notwendig, ein Reduzierventil oder ein anderes Drosselglied in der Ablaßleitung vorzusehen, wenn ständig Wasser abgelassen werden soll. Oft ist es zweckmäßiger, ein Sperrventil vorzusehen und das Wasser aus einem Sammelbehälter in bestimmten Zeitabständen abzulassen.The difference between the evaporation temperature and the condensation temperature is essentially determined by the pressure difference between the two spaces, and therefore the absolute pressure in the evaporation space is selected in accordance with the other operating conditions. In the case of batteries with an electrolyte ^{temperature above 100 °} C., for example, the pressure in the evaporator chamber is already above 1 atm. lie. The pressure in the condensation space is then even higher and it is necessary to provide a reducing valve or another throttle element in the drain line if water is to be drained continuously. It is often more useful to provide a shut-off valve and to drain the water from a collecting tank at certain time intervals.

Man kann auch in dem Kondensationsraum den Umgebungsdruck einstellen und hat dann im Verdampferraum einen Druck unterhalb des Atmosphärendruckes und eine Verdampfungstemperatur unterhalb 100⁰C.You can also set the ambient pressure in the condensation chamber and then have a pressure below atmospheric pressure and an evaporation temperature below 100 ^° C. in the evaporator chamber.

Zwischen den Verdampferraum und den Elektrolytraum der Batterie wird ein Drosselglied eingeschaltet, wenn zwischen beiden Räumen eine Druckdifferenz aufrechterhalten werden soll. In dem Elektrolytraum herrscht dann beispielsweise Atmosphärendruck.A throttle element is switched on between the evaporator compartment and the electrolyte compartment of the battery. if a pressure difference is to be maintained between the two rooms. In the electrolyte room atmospheric pressure then prevails, for example.

Das Verfahren ist auch vorteilhaft für die Verwendung von Luftsauerstoff, da man einen Unterdruck im Elektrolytraum erzeugen kann, wie aus der FR-PS 1 369 162 an sich bekannt ist.The method is also advantageous for the use of atmospheric oxygen, since there is a negative pressure in the Can generate electrolyte space, as is known per se from FR-PS 1 369 162.

Die Abbildung zeigt als Beispiel den Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Sie besteht im wesentlichen aus zwei durch Isolierwände 18 gebildeten gegenüber der Umgebung wärmeisolierten Räumen 1 und 2, in denen sich der Wasserentferner 3 und ein Wärmetauscher 4 befinden. Die Brennstoffbatterie ist nicht gezeichnet. Ihr Elektrolytraum ist an die Elektrolytleitungen 20 und 19 angeschlossen.As an example, the figure shows the structure of a device for carrying out the method. she consists essentially of two formed by insulating walls 18 that are thermally insulated from the environment Rooms 1 and 2, in which the water remover 3 and a heat exchanger 4 are located. The fuel battery is not drawn. Your electrolyte space is connected to the electrolyte lines 20 and 19.

Der eigentliche Wasserentferner 3 besteht aus dem Kondensationsraum 7 und aus dem Verdampferraum 6, der zusätzlich noch isoliert sein kann und verdünnte Elektrolytlösung enthält, aus der das Wasser herausgebracht werden soll. Der Kondensationsraum 7 ist als Kühlschlange durch den Verdampferraum 6 geführt.The actual water remover 3 consists of the condensation chamber 7 and the evaporator chamber 6, which can also be insulated and contains a dilute electrolyte solution from which the water is brought out shall be. The condensation space 7 is guided through the evaporator space 6 as a cooling coil.

Die Förderpumpe 8 ist mit ihrer Saugseite durch das wärmeisolierte Rohr 9 an den Dampfraum 5 des Verdampfers 6 angeschlossen und mit der Druckseite über das wärmeisolierte Rohr 10 an den Kondensationsraum 7 und erzeugt in dem Verdampferraum 6 einen Unterdruck gegenüber dem Kondensationsraum 7.The suction side of the feed pump 8 is through the heat-insulated pipe 9 to the vapor space 5 of the evaporator 6 and connected with the pressure side via the heat-insulated pipe 10 to the condensation chamber 7 and generates a negative pressure in the evaporator space 6 compared to the condensation space 7.

Die Zuführung der verdünnten Elektrolytlösung erfolgt über die Zuleitung 11; die Zuflußmenge kann über das Ventil 12 eingestellt werden. Der im Verdampferraum 6 angereicherte Elektrolyt fließt über die Leitung 13 zurück in den Elektrolytkreislauf der Brennstoffbatterie über das Ventil 14. Mittels des Dosierventils 21 wird ein Teil der über die Leitung 20 zugeführten Elektrolytmenge über die Leitung 19 in den Elektrolytraum zurückgeführt.The diluted electrolyte solution is supplied via the supply line 11; the inflow can be over the valve 12 can be adjusted. The electrolyte enriched in the evaporator chamber 6 flows via the line 13 back into the electrolyte circuit of the fuel battery via valve 14. By means of metering valve 21 a part of the amount of electrolyte supplied via line 20 via line 19 into the electrolyte space returned.

Das im Kondensationsraum 7 niedergeschlagene Wasser wird über die Leitung 15 abgelassen. Das Ventil 16 ist erforderlich, wenn der Druck im Kondensationsraum 7 über oder unter dem Umgebungsdruck liegt. The water precipitated in the condensation space 7 is drained off via the line 15. The valve 16 is required when the pressure in the condensation space 7 is above or below the ambient pressure.

Die Leitungen 11, 13 und 15 sind in dem wärmeisolierten Raum 2 zu einem Wärmetauscher 4 zusammengefaßt. Der Wärmetauscher wird vorzugsweise in Dreikammer-Plattenbauweise als Gegenstrom-Tauscher ausgeführt.The lines 11, 13 and 15 are combined in the thermally insulated space 2 to form a heat exchanger 4. The heat exchanger is preferably designed as a three-chamber plate design as a counterflow exchanger executed.

Im Verdampferraum 6 befindet sich eine elektrische Zusatzheizung 17.An additional electrical heater 17 is located in the evaporator space 6.

Bei geschlossenen Ventilen 12 und 14 wird die im Verdampfungsraum 6 befindliche Elektrolytmenge zunächst durch Erwärmen mittels Heizung 17 auf die Verdampfungstemperatur gebracht; die Pumpe 8 erzeugt einen Differenzdruck von 0,3 at. Da sie über die Leitungen 10,7 und 15 mit der Außenluft in Verbindung steht, wird im Verdampfungsraum 6 ein Druck von etwa 0,7 at herrschen. Bei 0,7 at verdampft das Wasser im Elektrolyten bereits bei 90⁰C. Der entstehende Wasserdampf wird mittels Pumpe 8 über die Leitungen 9 und 10 in den Kondensator 7 befördert. Da der Wasserdampf im Kondensator 7 unter Normaldruck (1 atm) steht und hierbei eine Kondensationstemperatur von 100° C herrscht, schlägt sich der Wasserdampf intensiv an den durch die Elektrolytflüssigkeit gekühlten Wandüngen des Kondensationsraumes 7 nieder. Die dabei anfallende Kondensationswärme geht vom Kondensator 7 in den Elektrolyten über.When the valves 12 and 14 are closed, the amount of electrolyte in the evaporation chamber 6 is first brought to the evaporation temperature by heating using a heater 17; the pump 8 generates a differential pressure of 0.3 at. Since it is connected to the outside air via the lines 10, 7 and 15, a pressure of about 0.7 at will prevail in the evaporation chamber 6. At 0.7 at, the water in the electrolyte already evaporates at 90 ^° C. The resulting water vapor is conveyed into the condenser 7 by means of the pump 8 via the lines 9 and 10. Since the water vapor in the condenser 7 is under normal pressure (1 atm) and the condensation temperature is 100 ° C., the water vapor is intensively deposited on the walls of the condensation space 7, which are cooled by the electrolyte liquid. The resulting heat of condensation is transferred from the condenser 7 to the electrolyte.

Eine Intensivierung des Kondensationsvorganges läßt sich erreichen, wenn der Kondensationsraum 7 mit Lamellen, geeigneter Metallwolle od. ä. ausgefüllt ist, wodurch die Innenfläche des Kondensationsraumes erheblich vergrößert wird. Es muß jedoch dafür gesorgt werden, daß die vergrößerte Innenoberfläche durch gute Wärmeleitung etwa auf der Temperatur des Elektrolyten gehalten wird. Bei Wärmeisolierung der Verdampfungsanlage 6 und aller Zu- und Ableitungen ist sichergestellt, daß nach außen in den Isolierraum 1 nur wenig Wärme abgegeben wird.An intensification of the condensation process can be achieved if the condensation space 7 with Lamellae, suitable metal wool or the like is filled, whereby the inner surface of the condensation space is considerable is enlarged. However, it must be ensured that the enlarged inner surface through good heat conduction is maintained at approximately the same temperature as the electrolyte. With thermal insulation of the evaporation system 6 and all supply and discharge lines ensure that to the outside in the isolation room 1 only little heat is given off.

Dem Verdampfungsraum 6 wird verdünnter Elektro-Iyt zu- bzw. konzentrierter Elektrolyt abgeführt. Das aus dem Kondensationsraum 7 über die Leitung 15 abfließende Kondenswasser und der gleichzeitig über die Leitung 13 abfließende angereicherte Elektrolyt geben im Wärmetauscher 4 ihre Wärme an den über die Leitung 11 in den Verdampfer 6 nachströmenden verdünnten Elektrolyten ab, so daß er von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle angenähert auf die Betriebstemperatur der Wasserausbringungsanlage erwärmt wird. Andererseits kühlen sich die durch den Wärmetauscher 4 aus der Wasserausbringungsanlage austretenden Flüssigkeiten ab.The evaporation space 6 is diluted electrolyte added or concentrated electrolyte discharged. That flowing out of the condensation space 7 via the line 15 Add condensation water and the enriched electrolyte flowing out via line 13 at the same time in the heat exchanger 4 their heat is diluted to the diluted via the line 11 in the evaporator 6 Electrolyte from, so that it approximates the operating temperature of the fuel cell to the operating temperature the water application system is heated. On the other hand, they cool down through the heat exchanger 4 liquids escaping from the water application system.

Die Beschickung des Verdampfers 6 mit verdünntem Elektrolyt und die Entnahme von konzentriertem Elektrolyten kann entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.The charging of the evaporator 6 with dilute electrolyte and the withdrawal of concentrated electrolyte can be done either continuously or discontinuously.

Es ist auch möglich, unter Atmosphärendruck stehende Betriebsgase, beispielsweise den Sauerstoff der Luft, für Brennstoffbatterien zu verwenden, bei denen das Reaktionswasser nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entfernt wird. Der beispielsweise in einer Vorrichtung entsprechend der Abbildung von der Förderpumpe 8 im Verdampfer 6 erzeugte Unterdruck von 0,7 at herrscht auch in dem Elektrolytraum einer angeschlossenen Brennstoffbatterie, wenn nicht durch ein Drosselglied eine Druckdifferenz aufrechterhalten wird. Bei einer geeigneten Porengröße der Sauerstoffdiffusionselektrode kann daher schon durch den geringen Überdruck der unverdichteten Luft von 03 at die Ausbildung der Dreiphasengrenze im Innern der Poren der Elektrode erreicht werden, und eine zusätzliche Verdichtung der Luft ist nicht erforderlich.It is also possible to use operating gases under atmospheric pressure, for example oxygen from the Air to be used for fuel batteries in which the water of reaction according to the invention Procedure is removed. For example, in a device according to the illustration of the feed pump 8 negative pressure of 0.7 at generated in the evaporator 6 also prevails in the electrolyte compartment of a connected Fuel battery, if not maintained by a throttle element, a pressure difference will. Given a suitable pore size of the oxygen diffusion electrode, the small Overpressure of the uncompressed air of 03 at the formation of the three-phase boundary inside the pores the electrode can be achieved, and an additional compression of the air is not required.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for removing the water of reaction from the electrolyte of fuel batteries with electrolyte circuit, characterized that the electrolyte is passed into an evaporator chamber under negative pressure and the evaporated water of reaction is introduced into a condensation space under a higher pressure and condensed there, wherein the condensation space is cooled by the electrolyte.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pressure in the evaporator chamber and in the electrolyte space of the fuel battery is below atmospheric pressure and that the oxygen electrodes the fuel battery can be operated with atmospheric oxygen.

3. Device for performing the method according to claim 1 and 2, characterized in that that the condensation space contains a cooling coil (7), which in the part filled with electrolyte of the evaporator chamber (6) is embedded, which has a feed pump (8) for the water vapor the volume of steam above that heated to the boiling point by the heating device (17) Electrolyte is connected.