DE1671882A1 - Verfahren zur Abfuehrung der bei der elektrochemischen Umsetzung von Brennstoffen in Brennstoffelementen gebildeten Waerme - Google Patents

Description

• Verfahren zur Abführung der bei der elektrochemischen Umsetzung von Brennstoffen in Brennstoffelementen gebildeten Wärme Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abführung der bei der elektrochemischen Umsetzung von Brennstoffen in Brennstoffelementen gebildeten Wärme.
• Die Umwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie erfolgt bekanntlich auch in Brennstoffelementen nicht vollständig. Bei Belastung des Elementes wird stets ein Teil der chemischen Energie in Form von Wärme frei. Dieser als Verlustwärme bezeichnete Betrag wird wesentlich von den verwendeten Elektrodenmaterialien, den Katalysatoren, der Zeitfähigkeit des Elektrolyten und von der Geometrie des Elementes bestimmt.
• Um nun die Brennstoffelemente über einen längeren Zeitraum mit den gewünschten Stromdichten belasten zu können, muß für eine Abführung der Verlustwärme gesorgt werden. Meistens werden hierzu die im Kreislauf geführten Elektrolytlösungen benutzt.
• Es hat sich nun gezeigt, daß diese Art der Wärmeabführung bei größeren Brennstoffzellen mit erheblichen Nachteilen verbunden ist. Wird z.B. eine Knallgaszelle mit der aktiven Fläche F bei 600C betrieben und bei 098 V mit einer Stromdichte von 100 mA/cm 2 belastet, so beträgt die Verlustwärme etwa 17 # 10-3. F Ccal/sj. Zur Abführung dieser Wärmemenge ist bei Verwendung von 6 n KOH als Elektrolyt ein Durchsatz von ca. 19 # 10-3. Ecm3/sl erforderlich, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Auslauf die Elektrolyten AT-beträgt. Zur Überwindung des in dem Brennetoffelement vorhandenen Strömungswiderstandes W muß hierzu eine Druckdifferenz 4p zwi :.chen Ein- und Auslauf aufrechterhalten werden. Da W bei r#ianden bzw. quadratischen Brennstoffelementen nur sehr werli;r »,ori der Größe der aktiven Fläche abhängt, nimmt dp proportional. mir, F i #che £1' - zu: Durch die angegebene Beziehung ist jedoch die Zellengröße nach oben hin begrenzt. Um nämlich eine hohe Stromdichte zu erreichen, soll der Blektrodenabstand möglichst klein gewählt werden, was ein großes W zur Folge hat; andererseits soll aber zwecks gleichmäßiger Auelaetung der aktiven Fläche eine größere Differenz des hydrostatischen Drucken und der Temperatur längs dieser Fläche vermieden werden. Setzt man nun In der eben erwähnten Beziehung für den Strömungswiderstand W den in einem Brennstoffelement mit gestützten Elektroden ermittelten Wert von ein und für AT = 500, so ergibt eich bei. einer aktiven Fläche von 2 000 cm2 für E1 ,p ein Wert von 0919 Atm. Diesem, Druckgradienten überlagert sich längs der Katalysatorobertläohe noch ein durch das Gewicht der Flüssigkeit bedingter hydrontatischei Druck. Bei einem von unten nach oben geleiteten Elektrolytetrom, was wegen der evtl. auftxstenden Gasblasen in der fzaxie meistens der Fall ist, muß also zu den errechneten 4p-Werten noch der hydroetatisohe Druck addiert werden, d.h. in dem angeführten Beispiel muß bei Verwendung einer 2 000 cm 2 großen runden Zelle zu dem errechneten 4p-Wert von 0,19 Atm eine hydrostatische Druckdifferenz von 0,063 Atm addiert werden. Der so erhaltene Wert für Ap liegt aber bereits in dem Druckbereich,in dem üblicherweise Gaediffusionselektroden in Brennstoff-elementen betrieben werden. Eine optimale Einstellung der: Dreiphasengrenze in der Diffusionselektrode wird dadurch erheblich -ernohwert. Eine Verringerung von ßp. durch Einstellung höherer f2emperaturdifferenzen zwischen Ein- und Auslauf des Elektrolyten ist wegen der angestrebten gleichmäßigen Strombelastung der einzelnen aktiven Flächenelemente nicht angebracht.
• Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Abführung der bei der ele'Arochemischen Umsetzung von Brennstoffen in Brennstoffelementen gebildeten Wärme zu finden, durch das die eben geschilderten Schwierigkeiten behoben werden.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß die im Brennstoffelement freigesetzte Wärme einer oder beiden das Element begrenzenden Endplatte(n) zugeleitet und von dort nach außen abgeführt wird. Die Ableitung der Wärme zu der Endplatte erfolgt mit besonderem Vorteil über den Gasraum der Elektrode, wobei im Gasraum zweckmäßigerweise Wärmebrücken, beispielsweise Zeitnetze, angeordnet werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf mit Gasen betriebene Brennstoffelemente beschränkt. Das neue Verfahren kann auch in Brennstoffelementen angewendet werden, in denen der Brennstoff im Elektrolyten gelöst ist. Die zur Wärmeabführung vorgesehene Endplatte steht dann in unmittelbarer Verbindung mit der Elektrode. In der Figur wird die Erfindung zunächst anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Mit 1 ist die aus pulverförmigem Katalysd°tGrmaterial bestehende und von den Drahtnetzen 2 und 3 gehaltene El ek@;-..: bezeichnet und mit 4 das zur Wärmeableitung bestimmte und in den Gasraum 5 eingebaute Leitnetz. Die Zufuhr des Reaktionsgases erfolgt über den Rohrstutzen 6 und die Abfuhr über das angedeutete Rohr ?. Die den Abschluß der Gaskammer 5 bildende Endplatte 8 ist doppelwandig ausgebildet, so daß sie von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden kann. Wird auch das Reaktionsgas im Kreislauf geführt, so leitet man das Kühlmittel zweckmäßigerweise im Gegenstrom Zum Reaktionsgas ein, so daß sich die Eintrittsstelle für die Kühlflüssigkeit bei 9 und die Austrittsstelle bei 10 befindet. Der Elektrolyt ist in der schematischen Figur mit 11 bezeichnet. Nach einer.anderen Ausf'r@rungsform der Erfindung kann jedoch anstelle der mit F"L-;*j:1:-igkeit gefüllten doppelwandigen Endplatte auch eine Endplatt, aus massivem, gut wärmeleitendem Material, beispielsweise aus vernickeltem Kupfer, verwendet werden, die lediglich an der Mundfläche gekühlt wird. Die Kühlung kann sowohl mit Gas als auch mit Flüssigkeit erfolgen.
• Die in dem zuerst genannten Ausführungsbeispiel beschriebene, senkrecht zur aktiven Fläche über im Gasraum angeordnete Wärmebrücken erfolgende Ableitung der Verlustwärme wirkt sich besonders günstig bei großen Brennstoffelementen aus, da auf diese Weise das Auftreten eines nennenswerten Druck- bzw. Temperaturgradienten längs der aktiven Fläche vermieden wird Gegenüber der bisher zur Wärmeabführung benutzten Elektrolytzirkulation hat das neue Verfahren vor allem den Vorteil, daß der Strömungswiderstand innerhalb der als Hohlkörper ausgebildeten Endplatte wesentlich günstiger gestaltet werden kann. Die für die elektrochemische Umsetzung wesentlichen Parameter können hierbei unbeachtet bleiben. Auch ist bei dem neuen Verfahren zwischen Ein- und Auslauf der Kühlflüssigkeit eine höhere Temperaturdifferenz als bei der zirkulierenden Elektrolytlösung zulässig, d.h. die im Kreislauf geführte Flüssigkeitsmenge kann wesentlich herabgesetzt werden. Werden die beim Betrieb des Brennstoffelementes gebildeten Reaktionsprodukte ausschließlich über die im Kreislauf geführten Gase abgeführt, kann auf den kostenerhöhenden Elektrolytkreislauf völlig verzichtet werden.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Abführung der bei der elektrochemischen Um- setzung von Brennstoffen in Brennstoffelementen gebildeten Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß die im Brennstoffelement freigesetzte Wärme einer oder beiden das Element begrenzenden Endplatte(n) zugeleitet und von dort nach außen abgeführt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung der Wärme zu der Endplatte über den Gasraum der Elektrode erfolgt. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung der Wärme zu der Endplatte über im Gasraum angeordnete Wärmebrücken, beispielsweise Leitnetze, erfolgt. 4. Verfahren nach den Ansprüchen-1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfuhr der Wärme von der Endplatte durch Plüssigkeitekühlung erfolgt, wobei die Kühlflüssigkeit die als Hohlkörper ausgebildete Endplatte durchströmt. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfuhr der Wärme von der aus einem gut wärmeleitenden Material bestehenden Endplatte durch Plüssigkeitskühlung oder Gaskühlung am Rand der Platte erfolgt. 6. Brennstöttelement mit Abführung der Verlustwärme nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff- element mit einer gekühlten Endplatte versehen ist. 7. Brennstoffbatterie mit Al>t'iih.x-ung der Verlustwärme nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch F=,ekf:nnzeichnet, daß in der Brenriatoffbatterie eine oder mehii-r-e Kühlkammern eingebaut sind, wobei sich zwischen zwei Kühlkammern ein oder mehrere Brennstoffelemente befinden.