DE1671879C3

DE1671879C3 - Process for separating the water of reaction from fuel elements or fuel batteries and a water separation cell for carrying out the process

Info

Publication number: DE1671879C3
Application number: DE19671671879
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Phys. Dr. 8520 Erlangen Gutbier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-01-04
Filing date: 1967-01-04
Publication date: 1976-02-19

Description

^SC Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß eine Wasserdampfsättigung des Reaktionsgases nicht erreicht wird Dadurch erhöht sich der benotigte Gas- ^SC A disadvantage of this process is that the reaction gas cannot be saturated with water vapor.

Diaphragma zur Kondensationsfläche durch eine Konvektionsströmung erhöht wird.Diaphragm to the condensation surface is increased by a convection flow.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des hydrostatischen Druckes des Elektrolyten im Diaphragma eines der beiden Reaktionsgase verwendet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that to compensate for the hydrostatic Pressure of the electrolyte in the diaphragm of one of the two reaction gases is used.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Kondensationsfläche über einen Kühlmittelstrom eingestellt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the temperature of the Condensation surface is set via a coolant flow.

5. Wasserabtrennungszelle für das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer wenigstens teilweise durch ein, eine Wand eines Gasraumes bildendes Diaphragma begrenzten Elektrolytkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Diaphragma gegenüberliegende Begrenzungsfläche des Gasraumes eine kühlbare Kondensationsfläche ist und daß der hydrostatische Druck des Elektrolyten im porösen Diaphragma entweder durch den Druck eines im Gasraum vorhandenen Gases oder durch den im Diaphragma herrschenden Kapillardepressionsdruck kompensierbar ist.5. water separation cell for the method according to any one of claims 1 to 4 with a at least partially bounded by a diaphragm forming a wall of a gas space Electrolyte chamber, characterized in that the boundary surface opposite the diaphragm of the gas space is a coolable condensation surface and that the hydrostatic pressure of the electrolyte in the porous diaphragm either by the pressure of a gas in the gas space or by that in the diaphragm prevailing capillary depression pressure can be compensated.

6. Wasserabtrennungszelle nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Druckschleuse oder ein steuerbares Magnetventil zur Entfernung des Kondenswassers.6. Water separation cell according to claim 5, characterized by a pressure lock or a controllable solenoid valve for removing the condensation water.

7. Wasserabtrennungszelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Elektrolytkammer und Gasraum die äußere Gestalt der Brennstoffelemente aufweisen und an einem endständigen Brennstoffelement der zu einer Brennstoffbatterie zusammengefaßten Brennstoffelemente angeordnet oder zwischen einzelnen Brennstoffelementen oder Gruppen aus mehreren Brennstoffelementen eingebaut sind.7. Water separation cell according to claim 5 or 6, characterized in that the electrolyte chamber and gas space have the outer shape of the fuel elements and at a terminal Fuel element of the fuel elements combined to form a fuel battery arranged or between individual fuel elements or groups of several Fuel elements are installed.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffelementen oder Brennstoffbatterien in Form von Wasserdampf, wobei der Elektrolyt im Kreislauf durch erhöhten Gasdurchsatz abzuführen. Bei stark belasteten Brennstoffelementen müssen deshalb zur Konstanthaltung der Elektrolytkonzentration zusätzliche Maßnahmen getroffen werden.The invention relates to a method for separating the water of reaction from the electrolyte Fuel elements or fuel batteries in the form of water vapor, with the electrolyte being removed in the circuit by increased gas throughput. At strong Loaded fuel elements therefore need additional ones to keep the electrolyte concentration constant Measures are taken.

Wird die Abtrennung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffelementen in den Brennstoffelementen selbst vorgenommen, wobei das Wasser durch eine poröse Elektrode in den Gasraum verdampft und über einen Gaskreislauf abgeführt oder an einer gekühlten Fläche kondensiert wird (französische Patentschriften 14 02 790 und 14 38 058 sowie US-Patentschrift 31 72 784), so kann ferner der gleichmäßige Gasdurchsatz durch den Gasraum des Brennstoffelementes gestört werden und durch eine Kühlung kann der zusätzliche Nachteil auftreten, daß das Brennstoffelement auskühlt.If the separation of the water of reaction from the electrolyte of fuel elements in the Fuel elements made themselves, the water through a porous electrode in the gas space evaporated and discharged via a gas circuit or condensed on a cooled surface (French patents 14 02 790 and 14 38 058 and US patent 31 72 784), the uniform gas throughput through the gas space of the fuel element are disturbed and by a Cooling can have the additional disadvantage that the fuel element cools down.

Zur Erzielung eines besseren Wirkungsgrades wird daher in der deutschen Patentschrift 14 96 230 und der DT-AS 15 96 221 vorgeschlagen, die Wasserdampfsättigung des Reaktionsgases außerhalb des Brennstoffelementes vorzunehmen. Der durch die Verlustwärme des Brennstoffelementes aufgeheizte und im Kreislauf geführte Elektrolyt wird hierbei zunächst in einen Konzentrator geleitet, in welchem das bei der Reaktion gebildete Wasser von einem Trägergas in Dampfform aufgenommen wird, und anschließend über einen Kühler in den Elektrolytraum des Brennstoffelementes zurückgeführt. Der mit Wasserdampf beladene Gasstrom kann nach Abgabe des Wasserdampfes in einem Wasserabscheider unmittelbar in den Konzentrator zurückgeleitet oder aber den Elektroden der Brennstoffbatterie zugeführt werden. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß zur Wasserabreicherung des Elektrolyten auch ein Hilfsgaskreis benutzt werden kann. Dadurch wird die Konstanthaltung der Elektrolytkonzentration auch bei unterschiedlicher Belastung des Brenstoffelementes in sehr einfacher Weise gewährleistet.In order to achieve better efficiency, therefore, German patent 14 96 230 and the DT-AS 15 96 221 proposed the water vapor saturation of the reaction gas outside the Make fuel element. The one heated up by the heat loss from the fuel element and the circulating electrolyte is first fed into a concentrator, in which the water formed during the reaction is absorbed by a carrier gas in vapor form, and then returned to the electrolyte space of the fuel element via a cooler. The one with Water vapor-laden gas stream can after the release of the water vapor in a water separator immediately fed back into the concentrator or fed to the electrodes of the fuel battery will. An advantage of this method is that it also helps to deplete the electrolyte water an auxiliary gas circuit can be used. This will keep the electrolyte concentration constant guaranteed in a very simple manner even with different loads on the fuel element.

Aus der US-Patentschrift 31 29 145 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten bei kleinen Temperaturdifferenzen, insbesondere zur Herstellung von reinem Wssse- aus Seewasser, bekannt. Die Vorrichtung weist zwei poröse Schichten auf, die durch einen mit Gas gefülltenFrom US Patent 31 29 145 is a method and a device for the distillation of liquids at small temperature differences, in particular for the production of pure white water from sea water, known. The device has two porous layers, one filled with gas

Spalt voneinander getrennt sind. Beide Schichten sind an undurchlässigen Wänden angeordnet, von denen die eine geheizt und die andere gekühlt wird. Auf diese Weise verdampft von der Oberfläche der wärmeren der beiden porösen Schichten, der die Flüssigkeit zugeführt wird, Flüssigkeit, der Flüssigkeitsdampf tritt durch den Ga >palt hindurch, kondensiert an der Oberfläche der kälteren Schicht und wird dann aus dieser Schicht abgeführt. Dieses Verfahren erfordert einen beträchtlichen Er.ergieaufwand, ds die Flüssigkeit in den porösen Schichten lange Wege zurücklegen muß. Darüber hinaus ist eine gleichmäßige Beaufschlagung der zur Verdampfung dienenden Schichi mit Flüssigkeit kaum zu erreichen.Gap are separated from each other. Both layers are arranged on impermeable walls, from where one is heated and the other is cooled. In this way it evaporates from the surface of the warmer of the two porous layers to which the liquid is supplied, liquid, the liquid vapor passes through the gap, condenses on the surface of the colder layer and is then discharged from this layer. This process requires a considerable amount of energy. that is, the liquid has to travel long distances in the porous layers. In addition, is a uniform application of liquid to the layers used for evaporation can hardly be achieved.

Aus der US-Patentschrift 32 74 029 ist es bekannt, zur Abtrennung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffelementen den Elektrolyten im Kreislauf in eine Wasserabtrennungszelle zu führen, in der eine sogenannte Membrandestillation durchgeführt wird. Dazu wird der Elektrolyt mit einer Seite einer hydrophilen, nichtporösen Membran in Kontakt gebracht, durch die hindurch Wasserdampf diffundiert und in einen der Membran benachbarten Gasraum übertritt; im Gasraum herrscht Unterdruck. Der Wasserdampf wird anschließend aus dem Gasraum entfernt und kondensiert. Bei diesem Verfahren ergibt sich der Nachteil, daß die Wasserabtrennrate durch die Diffusion des Wasserdampfes durch die nichtporöse Membran begrenzt ist und im Gasraum ein Unterdruck erzeugt werden mu3.From US Pat. No. 3,274,029 it is known to separate the water of reaction from the electrolyte from fuel elements to circulate the electrolytes in a water separation cell, in which a so-called membrane distillation is carried out. This is done using the electrolyte brought into contact with one side of a hydrophilic, non-porous membrane through which water vapor diffuses and passes into a gas space adjacent to the membrane; prevails in the gas space Vacuum. The water vapor is then removed from the gas space and condensed. With this one The method has the disadvantage that the water separation rate due to the diffusion of water vapor is limited by the non-porous membrane and a negative pressure must be generated in the gas space.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Abtrennung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffelementen in Form von Wasserdampf, wobei der Elektrolyt im Kreislauf durch eine Wasserabtrennungszelle geführt und dort mit einer Seite eines Diaphragmas in Kontakt gebracht wird uud der durch das Diaphragma in einen diesem benachbarten Gasraum transportierte Wasserdampf kondensiert wird, hinsichtlich der Betriebssicherheit und des erforderlichen Energieaufwandes weiter zu verbessern. Insbesondere soll die Notwendigkeit, im Gasraum einen Unterdruck zu erzeugen, entfallen, und darüber hinaus soll eine höhere Wasserabtrennrate erreicht werden.The object of the invention is to separate the water of reaction from the electrolyte of fuel elements in the form of water vapor, with the electrolyte circulating through a water separation cell and is brought into contact there with one side of a diaphragm and through the diaphragm is condensed in a water vapor transported to this adjacent gas space, to improve further in terms of operational safety and the required energy consumption. In particular the need to generate a negative pressure in the gas space should be dispensed with, and beyond a higher water separation rate should be achieved.

Dies wird erlmdungsgemäß dadurch erreicht, daß der hydrostatische Druck des Elektrolyten im porösen Diaphragma entweder durch den Druck eines im Gasraum vorhandenen Gases oder durch den im Diaphragma herrschenden Kapillardepressionsdruck kompensiert und daß der Wasserdampf an einer kühlbaren, eine dem Diaphragma gegenüberliegende Begrenzungsfläche des Gasraumes bildenden Kondensationsfläche kondensiert wird.This is achieved according to the invention in that the hydrostatic pressure of the electrolyte in the porous Diaphragm either by the pressure of a gas in the gas space or by the im Compensated for the prevailing capillary pressure and that the water vapor at a diaphragm coolable condensation surface forming a boundary surface of the gas space opposite the diaphragm is condensed.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Wasserabtrennungszelle auf, die in einem Eiektrolytkreislauf außerhalb des Brenstoffelementes angeordnet ist und eine Elektrolytkammer enthält. Die Elektrolytkammer wird wenigstens teilweise durch ein Diaphragma begrenzt, das ilie eine Wand eines Gasraumes bildet. Die andere Wand des Gasraumes, d. h. die dem Diaphragma gegenüberliegende Begrenzungsfläche des Gasraumes, ist eine kühlbare Kondensationsfläche zur Abscheidung des Wasserdampfes. Der hydrostatische Druck des Elektrolyten im porösen Diaphragrna ist entweder durch den Druck eines im Gasraum vorhandenen Gases oder durch den im Diaphragma herrschenden Kapillardepressionsdruck kompensierbar. Die Wasserabtrennungszelle selbst ist mit einer Vorrichtung zur Entfernung des Kondenswasser versehen.A device for carrying out the method according to the invention has a water separation cell which is arranged in an electrolyte circuit outside the fuel element and contains an electrolyte chamber. The electrolyte chamber is at least partially covered by a diaphragm limited that ilie forms a wall of a gas space. The other wall of the gas space, i.e. H. the boundary surface of the opposite the diaphragm Gas space is a coolable condensation surface for separating water vapor. The hydrostatic Pressure of the electrolyte in the porous diaphragm is either due to the pressure of one in the gas space existing gas or by the capillary depression pressure prevailing in the diaphragm compensable. The water separation cell itself is equipped with a device for removing the condensed water Mistake.

Als Diaphragma können in der Wasserabtrennungszelle alle gegenüber dem Elektrolyten beständigen porösen rvorpcr vcPwcnuct wcruen, beispielsweise Nylonfilter und Asbestpapier, es sind auch poröse Massen aus keramischem Material und gesintertem Glas oder Metall geeignet.As a diaphragm, all of them in the water separation cell can be resistant to the electrolyte porous rvorpcr vcPwcnuct wcruen, for example Nylon filters and asbestos paper, there are also porous masses made of ceramic and sintered material Suitable for glass or metal.

Zur Kompensation des hydrostatischen Druckes des Elektrolyten im Diaphragma dient insbesondere eines der beiden Reaktionsgase. Es kann jedoch auch ein anderes mit dem Elektrolyten verträgliches Gas oder ein aus diesen beiden Gasen hergestelltes Gasgemisch verwendet werden.In particular, it serves to compensate for the hydrostatic pressure of the electrolyte in the diaphragm one of the two reaction gases. However, another gas compatible with the electrolyte can also be used or a gas mixture prepared from these two gases can be used.

Soll die Kompensation des hydrostatischen Drukkes des Elektrolyten durch den Kapillardepressionsdruck im Diaphragma erfolgen, so wird ein Diaphragma verwendet, das wenigstens teilweise aus einem hydrophoben Material besteht oder aus einem Material, das in an sich bekannter Weise durch Aufbringen hydrophober Schichten wasserabweisend ist, beispielsweise durch Aufbringen von Schichten aus Paraffin oder Kunststoffen.Should the compensation of the hydrostatic pressure of the electrolyte by the capillary depression pressure take place in the diaphragm, a diaphragm is used which is at least partially consists of a hydrophobic material or a material that is applied in a manner known per se hydrophobic layers is water-repellent, for example by applying layers Paraffin or plastics.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein poröses Diaphragma verwendet. Um eine möglichst große Verdampfungsrate zu erzielen, verwendet man vorteil hafterweise Diaphragmen mit einer hohen Porosität. Kleinere Porendurchmesser verursachen einen großen Strömungswiderstand und damit eine scheinbare Verringerung des Wasserdampfpartialdruckes an der Oberfläche des Diaphragmas. Aus diesem Grunde wird man den Porendurchmesser möglichst groß wählen. Da jedoch eine einwandfreie Trennung zwischen flüssiger und gasförmiger Phase im Diaphragma gewährleistet sein muß, ist die Größe des Porenradius nach oben begrenzt.A porous diaphragm is used in the method according to the invention. To be as large as possible To achieve evaporation rate, one advantageously uses diaphragms with a high porosity. Smaller pore diameters cause a large flow resistance and thus an apparent one Reduction of the water vapor partial pressure on the surface of the diaphragm. For this Basically, you will choose the pore diameter as large as possible. However, there is a perfect separation must be guaranteed between the liquid and gaseous phase in the diaphragm, is the size of the Pore radius limited upwards.

Der Wasserdampftransport im Gasraum, d. h. vom Diaphragma zur Kondensationsfläche, kann vorteilhaft durch eine Konvektionsströmung erhöht werden. Die Temperatur der Kondensationsfläche wird vorzugsweise über einen Kühlmittelstrom eingestellt, die Kondensationsfläche kann aber auch thermoelektrisch gekühlt werden.The water vapor transport in the gas space, d. H. from the diaphragm to the condensation surface can be advantageous can be increased by a convection flow. The temperature of the condensing surface is preferred Set via a coolant flow, but the condensation surface can also be thermoelectrically be cooled.

Die Entfernung des Kondenswassers aus dem Gasraum der Wasserabtrennungszelle kann sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich erfolgen. Bei diskontinuierlicher Betriebsweise wird das Wasser zunächst gesammelt und bei Erreichen einer vorgegebenen Standhöhe entfernt, was in an sich bekannter Weise über ein entsprechend gesteuertes Magnetventil erfolgen kann. Als besonders geeignet erwiesen hat sich zu diesem Zweck auch die aus der deutschen Patentschrift 12 73 644 bekannte, aus einer porösen Platte bestehende Druckschleuse zur selbsttätigen kontinuierlichen Entfernung von Wasser aus abgeschlossenen Systemen.The removal of the condensed water from the gas space of the water separation cell can be discontinuous as well as continuously. In the case of discontinuous operation, the water is initially collected and removed when a predetermined level is reached, which is known per se Way can be done via a suitably controlled solenoid valve. Has proven particularly suitable for this purpose, the one known from German patent specification 12 73 644, from a porous Plate existing pressure lock for the automatic continuous removal of water from closed Systems.

Die Elektrolytkammer und der Gasraum der Wasserabtrennungszelle können vorteilhaft die äußere Gestalt der Brennstoffelemente aufweisen und an einem endständigen Brennstoffelement der zu einer Brennstoffbatterie zusammengefaßten Brennstoffelemente angeordnet oder zwischen einzelnen Brennstoffelementen oder Gruppen aus mehreren Brennstoffelementen eingebaut sein.The electrolyte chamber and the gas chamber of the water separation cell can advantageously be the outer one Have shape of the fuel elements and on a terminal fuel element to one Fuel battery combined fuel elements arranged or between individual fuel elements or groups of several fuel elements can be installed.

An Hand einiger Ausführungsbeiipiele und einer Figur, die eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä-With the aid of some exemplary embodiments and a figure showing a preferred embodiment of a Device for carrying out the

(Jen Verfahrens zeigt, soll die Erfindung noch näher erläutert werden.(As shown in the method, the invention will be explained in more detail.

In der schematischen Figur ist eine Wasserabtrennungszelle 1 dargestellt, welche durch ein poröses Diaphragma 2 in eine Elektrolytkammer 5 und einen Gasraum 8 unterteilt ist. Mit 3 ist eine kühlbare Kondensationsfiäche bezeichnet. Der Elektrolyt strömt durch eine Rohrleitung 4 in die Elektrolytkammer 5 ein und verläßt diese durch eine Rohrleitung 6. Über ein Rohr 7 wird der Gasraum 8 mit einem zur Phasentrennung benötigten Gas gefüllt, beispielsweise mit Wasserstoff oder Sauerstoff. Die Abführung des im Gasraum 8 gebildeten Kondensationswassers erfolgt diskontinuierlich über einen mit einem Hahn versehenen Ablaufstutzen 9.In the schematic figure, a water separation cell 1 is shown, which is through a porous Diaphragm 2 is divided into an electrolyte chamber 5 and a gas space 8. With 3 is a coolable condensation surface designated. The electrolyte flows through a pipe 4 into the electrolyte chamber 5 and leaves it through a pipe 6. Via a pipe 7, the gas space 8 is provided with a for phase separation required gas filled, for example with hydrogen or oxygen. The removal of the im Gas space 8 formed condensation water takes place discontinuously via a provided with a tap Drain connection 9.

Zur Bestimmung der Kondensationsrate wurden in einer Wasserabtrennungszelle der vorstehend beschriebenen Art eine Reihe von Messungen ausgeführt. Als Diaphragma wurde hierbei entweder ein 0,1 mm dickes und 12,5 cm² großes Filter aus Nylon oder ein solches aus Asbestpapier verwendet. Das Diaphragma war in einen Brennstofizellenrahmen üblicher Bauart eingebaut und wurde über einen Rundschutaring aus synthetischem Gummi auf ein den Elektrolyten enthaltendes Stützgerüst gasdicht angepreßt. Der Elektrolyt bestand aus 6 n-KOH. Der Gasraum wurde durch ein Nickelblech gasdicht abgeschlossen, wobei dor Abstand Diaphragma-Nickelblech etwa 3 mm betrug. Durch einen aufgepreßtenTo determine the rate of condensation, a series of measurements were carried out in a water separation cell of the type described above. Either a 0.1 mm thick and 12.5 cm ² filter made of nylon or one made of asbestos paper was used as the diaphragm. The diaphragm was built into a fuel cell frame of the usual type and was pressed gas-tight onto a support structure containing the electrolyte via a circular protective ring made of synthetic rubber. The electrolyte consisted of 6 n-KOH. The gas space was sealed gas-tight by a nickel sheet, the distance between the diaphragm and the nickel sheet being about 3 mm. By a pressed on

ίο Halbleiter-Kühlblock konnte das als Kondensationsfläche dienende Nickelblech von außen auf verschiedene Temperaturen gekühlt werden. Als Druckgas wurde im Gasraum Wasserstoff oder Sauerstoff eingc-' setzt, es können jedoch auch andere Gase bzw. Gasgemische verwendet werden.ίο Semiconductor cooling block could use the nickel sheet serving as a condensation surface from the outside on different Temperatures are cooled. Hydrogen or oxygen was used as the compressed gas in the gas space. sets, but other gases or gas mixtures can also be used.

Bei einer konstant gehaltenen Elekttolyttempcratur T₁ von 60° C wurde nun die Kondensationsrate als Funktion der Temperatur T., der Kondensationsfläche gemessen. Die hierbei erhaltenen Meßwerte sind in der nachstehenden Tabelle 1 eingetragen.With the electrolyte temperature T ₁ kept constant at 60 ° C., the condensation rate was then measured as a function of the temperature T, the condensation area. The measured values obtained in this way are entered in Table 1 below.

Tabelle 1Table 1 T, [ C] T, [ C] Sauerstoffoxygen Nylon-MembranNylon membrane [g/cm^-h][g / cm ^ -h] 0,1 mm0.1 mm T₂[⁰C]T ₂ [ ⁰ C] Wasserstoffhydrogen Nylon-MembranNylon membrane [g/crn^h][g / crn ^ h] 0,1 mm0.1 mm T₂[⁰C]T ₂ [ ⁰ C] Wasserstoffhydrogen Asbest-MembranAsbestos membrane [g/cm^-h][g / cm ^ -h] 0,5 mm0.5 mm

35 4335 43

0,24 0,24 0,23 0,23 0,21 0,16 0,110.24 0.24 0.23 0.23 0.21 0.16 0.11

12 15 19 24 38 4612 15 19 24 38 46

0,50 0,50 0,55 0,46 0,43 0,30 0,170.50 0.50 0.55 0.46 0.43 0.30 0.17

88th

0,40 (Normalasbest)0.40 (normal asbestos)

0,08 (Feinstasbest)0.08 (fine asbestos)

Die Meßwerte zeigen, daß sich die Kondensationsrate dann mit der Temperatur der Kondensationsfläche wenig ändert, wenn die Temperatur der Kondensationsfläche 20° C nicht wesentlich überschreitet. Dagegen erhöht sich die Kondensationsrate bei Verwendung von Wasserstoff als Druckgas etwa auf das Doppelte der mit Sauerstoff erhaltenen Kondensationsrate. Wie die an Normal- und Feinstasbest ermittelten Kondensationsraten zeigen, beeinflußt die Porosität des Diaphragmas den Verdampfungsvorgang erheblich.The measured values show that the condensation rate changes little with the temperature of the condensation surface if the temperature of the condensation surface Does not significantly exceed 20 ° C. On the other hand, the rate of condensation increases when it is used of hydrogen as a compressed gas to about twice the rate of condensation obtained with oxygen. As the condensation rates determined for normal and fine asbestos show, the porosity has an influence the diaphragm significantly reduces the evaporation process.

Die Verdampfungsrate ν von Wassermolekülen aus 6 n-KOH läßt sich mit Hilfe der Stefanschen Formel berechnen. Danach istThe evaporation rate ν of water molecules from 6 n-KOH can be calculated with the help of Stefan's formula calculate. After that is

D P₁P-P₂ DP ₁ PP ₂

v = In —,v = In -,

/ RT P-P₁ / RT PP ₁

wobei D die Diffusionskonstante in dem betreffenden Gas darstellt, / den Abstand zwischen der Verdampferfläche, d. h. dem Diaphragma und der Kondensationsfläche, P den Gesamtgasdruck, P₁ den Wasserdampfdruck über dem Elektrolyten bei der Temperatur T, und P₂ den der Temperatur T₂ der Kondensationsfläche zugeordneten Wasserdampfdruck.where D represents the diffusion constant in the gas in question, / the distance between the evaporator surface, i.e. the diaphragm and the condensation surface, P the total gas _{pressure, P 1} the water vapor pressure above the electrolyte at temperature T, and P ₂ the temperature T _{2 of} the condensation surface assigned water vapor pressure.

Setzt man zum Vergleich die in den vorstehenden Untersuchungen verwendeten Parameterwerte in die Formel ein, so erhält man mit T, = 60° C, T„ = 20° C, P = 1,2 Atm., / = 0,3 cm,If, for comparison, the parameter values used in the above investigations are put into the Formula, one obtains with T, = 60 ° C, T "= 20 ° C, P = 1.2 atm., / = 0.3 cm,

RT = 2.5 · 10* cm» · Atm./Mol, D = 0,9 ■ 10³ cm²/h in Wasserstoff (D-Werte bei 40° C und 1,2 Atm.), P₁ = 100 Torr und P₂ = 18 Torr für 6 n-KOH folgende Verdunstungsraten v: 0,24 g/cm^s-h in Sauerstoff und 0,75 g/cm² · h in Wasserstoff. RT = 2.5 · 10 * cm »· atm / mol, D = 0.9 · 10 ³ cm ² / h in hydrogen (D values at 40 ° C and 1.2 atm.), P ₁ = 100 Torr and P ₂ = 18 Torr for 6 n-KOH, the following evaporation rates v: 0.24 g / cm ^s -h in oxygen and 0.75 g / cm ² · h in hydrogen.

Die Übereinstimmung der berechneten Werte mit den Meßwerten kann durchaus als befriedigend bezeichnet werden, wenn man berücksichtigt, daß für die Difliusionskonstanten und die Temperatur im Gasraum nur Mittelwerte eingesetzt wurden.The correspondence between the calculated values and the measured values can be described as satisfactory if one takes into account that for the diffusion constants and the temperature im Gas space only mean values were used.

Gegebenenfalls kann der Wasserdampftransport auch noch durch eine thermisch angeregte Konvektionsströmung oder eine durch Bewegung des Gases verursachte Massenkonvektion erhöht werden, die man innerhalb des Gasraumes durch eine bestimmte Anordnung und Lagerung des Diaphragmas und dei Kondensationsfläche bzw. der Strömung einsteller kann.If necessary, the water vapor can also be transported by means of a thermally excited convection flow or mass convection caused by movement of the gas can be increased, the one inside the gas space by a certain arrangement and storage of the diaphragm and dei Condensation surface or the flow adjuster can.

Durch den Verdampfungs- und Kondensationsvor gang einerseits und die Wärmeleitung des Gases an dererseits wird ein Wärmestrom von der heißen zu kalten Oberfläche verursacht. In der Tabelle 2 sini die Wärmeströme für eine Temperaturdifferenz vöi 40° C aufgeführt.Through the evaporation and condensation process on the one hand and the heat conduction of the gas on on the other hand, a heat flow is caused from the hot to cold surface. In table 2 sini the heat flows for a temperature difference of 40 ° C are shown.

Table 2

Gasart Konden- Kondensations- Wärme-Gas type condensation condensation heat

sationsrate wärme leitungrate of heat conduction

(g/cm^s · h) (cal/cm⁵ · s) (cal/cm⁵ · s)(g / cm ^s h) (cal / cm ⁵ s) (cal / cm ⁵ s)

Wasserstoff
Sauerstoffhydrogen
oxygen

0,480.48

0,08
0,040.08
0.04

0,06
0,0090.06
0.009

In einem mit Wasserstoff und SauerstoiT betriebenen Brennstoffelement wird durch eine Ladung von 52 Ah ein Mol Wasser erzeugt. Legt man den Berechnungen eine Kondensationsrate von 0,4 g/cm- ■ Ii Wasser zugrunde, so entspricht dieser Rate eine Stromdichte von 1.15 A/cm'- im Brennstoffelement. Wenn man weiterhin berücksichtigt, daß H .,/Gv BrennstofTelcmcnte bei 60 C meistens mit 80 m/V cm² belastet werden, ergibt sich hieraus, daß man mit 1 cm² Verdampferfläche bzw. Kondensationsfläche pro Sekunde eine Wassermenge abtrennen kann, die einer Wassererzeugungsrate von 14 cm'- aktiver Brcnnstoffzellenfläclie entspricht.In a fuel element operated with hydrogen and oxygen, one mole of water is generated by a charge of 52 Ah. If the calculations are based on a condensation rate of 0.4 g / cm-Ii water, this rate corresponds to a current density of 1.15 A / cm-1 in the fuel element. If one also takes into account that H. / Gv fuel cells are usually ^{loaded with 80 m / V cm 2} at 60 C, it follows that with 1 cm ^{2 of} evaporator surface or condensation surface per second, an amount of water can be separated that corresponds to a water production rate of 14 cm 'active fuel cell area.

Dieser günstige Flächenfaktor wird nun mit Erfolg zur Verbesserung der bisher bekannten Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus Brennstoffelementen benutzt.This favorable area factor is now successfully used to improve the previously known method used to separate water from fuel elements.

Beispielsweise werden η aktive, d. h. elektrische Energie erzeugende Brennstoffelemente beliebiger Bauart nach dem Filterpressenprinzip zu einer Brennstoffbatterie zusammengebaut und mit einer Wasscrabtrcnnungszclle gleicher Größe versehen. Die Zahl η richtet sich hierbei nach der maximalen Stromdichte /, mit der die Brennstoffelemente über einen längeren Zeitraum belasiet werden sollen; sie läßt sich in einfacher Weise aus der in der Wasserabtrcnnungszclle bestimmten Kondensationsrate ν ermitteln. Im obenerwähnten Beispiel ist / mit 80 mA/cm² angegeben, d. h., auf 28 aktive Brennstoffelemente kommt eine Wasscrabtrennungszelle. Hierbei ist vorausgesetzt, daß bei der in der Figur beschriebenen VVasserabtrennungszclle beide, die Elektrolytkammcr begrenzenden Flächen als Verdampferflächcn eingesetzt werden. Allgemein ergibt sich /; aus η = 5,8--,For example, η active, ie electrical energy-generating fuel elements of any type are assembled according to the filter press principle to form a fuel battery and provided with a water separation cell of the same size. The number η depends on the maximum current density / with which the fuel elements are to be loaded over a longer period of time; it can be determined in a simple manner from the condensation rate ν determined in the water separation rate. In the example mentioned above, / is given as 80 mA / cm ² , ie there is one water separation cell for every 28 active fuel elements. It is assumed here that, in the case of the water separation cell described in the figure, both surfaces delimiting the electrolyte chamber are used as evaporator surfaces. In general, /; from η = 5.8--,

wobei ν in g/cm² · h und / in A/cm² gemessen wird.where ν is measured in g / cm ² · h and / in A / cm ^2.

Die beschriebene Anordnung benötigt höchstens 5" ο des Batlerievoliimens, was gegenüber den bisher hierfür angegebenen Werten als günstige Raumersparnis betrachtet werden kann. Vor allem wirdThe arrangement described requires a maximum of 5 "ο of the Batlerievoliimens, which is compared to the previous values given for this as a favorable space saving can be viewed. Most of all will

ίο keine zusätzliche Energie für einen Gaskreislauf zur Wasserentfernung benötigt oder zur Erzeugung eines Unterdruckes im Gasraum.ίο no additional energy for a gas cycle Water removal required or to create a negative pressure in the gas space.

In diesem Zusammenhang ist auch erwähnenswert, daß bei einem oberhalb ftO C betriebenen Brennstoffelement weitere Vorteile dadurch erzielt werden können, daß der Wasserdampfpartialdruck und damit auch die Vcrdampfungsrale mit der Temperatur stark ansteigt.In this connection it is also worth mentioning that when the fuel element is operated above ftO C Further advantages can be achieved in that the water vapor partial pressure and thus the evaporation range also rises sharply with temperature.

In einem Brennstoffelement wird bei einer Dauerbelastung von 80 mA/cm² etwa die Hälfte der entstehenden Ver'.ustwärme als Verdampfungswärme abgeführt. Wird nun in der Wasserabtrennungszelle nach der Erfindung Wasserstoff als Druckgas eingesetzt, so wird der Wärmetransport durch das gute Wärmeleitvermögen des Wasserstoffs besonders günstig gestaltet, so daß auf diese Weise praktisch die gesamte Verlustwärme an das Kühlwasser bzw. Kühlgas abgegeben wird. Die Regelung der Wasserabtren nung aus dem Elektrolyten erfolgt vorteilhaft durch Änderung der Temperatur der Kondensationsfläche die wiederum über den Kühlmittelstrom geregelt wer den kann.In a fuel element, with a continuous load of 80 mA / cm ^2, around half of the waste heat generated is dissipated as heat of evaporation. If hydrogen is used as the compressed gas in the water separation cell according to the invention, the heat transport is made particularly favorable due to the good thermal conductivity of the hydrogen, so that in this way practically all of the heat loss is given off to the cooling water or cooling gas. The regulation of the water separation from the electrolyte is advantageously carried out by changing the temperature of the condensation surface, which in turn can be regulated via the coolant flow.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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Claims

Patent claims:

1. Process for separating the water of reaction from the electrolyte of fuel elements or fuel batteries in the form of water vapor, with the electrolyte in circulation passed through a water separation cell and there in contact with one side of a diaphragm is brought and transported through the diaphragm into a gas space adjacent to it Water vapor is condensed, thereby characterized in that the hydrostatic pressure of the electrolyte in the porous diaphragm either by the pressure of a gas in the gas space or by that in the diaphragm compensated for the prevailing capillary depression pressure and that the water vapor at a coolable, one opposite the diaphragm passed through a water separation cell and there with one side of a diaphragm m is brought into contact and through the diaphragm into one ^ s-m adjacent gas space transported water vapor is condensed. The invention also relates to a water separation cell for this process.

To remove the water of reaction from the egg 'electrolyte of fuel elements are already various procedures have become known. In most cases the separation takes place by evaporation of the water and subsequent condensation of the steam. Here the evaporating Water from one of the circulated reaction leases and taken out again outside the fuel element in a condenser.