DE1671985C - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Nachführung von katalytisch zersetzbaren Flüssigkeiten an die Katalysatorelektrode in einem Brennstoffelement - Google Patents

Description

Aus der deutschen Patentschrift 1 180 438 ist es Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen bereits bekannt, daß man Wasserstoffdiffusionselek- Vorrichtung ist in der F i g. 1 dargestellt. Im Vorratstroden in Brennstoffelementen betreiben kann, indem behälter 1 befindet sich der flüssige Reaktionspartman der Elektrode eine Natriumboranat enthaltende 55 ner 2, z. B. eine 7°/oige Lösung von Wasserstoffper-Elektrolytflüssigkeit zuführt. Das Natriumboranat oxid. In diese Flüssigkeit! taucht ein Saugkörper3 wird am Katalysatormaterial der Elektrode unter Ab- ein, so daß die oberhalb des Flüssigkeitsniveaus angabe von Wasserstoff zersetzt. geordnete poröse Platte 4 mit der Flüssigkeit 2 durch-Aus der britischen Patentschrift 963 254 ist ein tränktist.OberhalbderporösenPlatte4befindetsichein Brennstoffelement bekannt, bei dem eine Lösung von 60 Katalysalorkörper5, der mittels der Knebelschraube 6 Wasserstoffperoxid durch die poröse Sauerstoffelek- und dem gasdichten Gewindestück 7 mit der porösen trode hindurchgedrückt und die überschüssige Elek- Platte4 in Kontakt gebracht werden kann. Sobald der trolytflüssigkeit aus dem Raum zwischen den beiden Kontakt hergestellt ist, wird die in der porösen Platte 4 Elektroden abgeführt wird. befindliche Peroxidlösung zersetzt in Wasser und Es ist möglich, unter Verwendung entsprechender 65 Sauerstoffgas. Der entwickelte Sauerstoff führt zu Fördermittel und mit geeigneten Regelanlagen die einem Druckanstieg im Gasraum 8. Die Federmem-Elektrolytflüssigkeit oder eine Flüssigkeit, welche die bran 9 wird nach außen gedrückt, und der Katalysa-Wasserstoff bzw. Sauerstoff abgebenden Stoffe enthält, lorkörper 5 von der porösen Platte 4 abgehoben, so

daß die weitere Zersetzung der Flüssigkeit unterbunden wird. Der dabei entstehende Gasdruck kann an dem Manometer 10 abgelesen werden. Wenn der Gasdruck noch nicht dem gewünschten Förderdruck entspricht, wird der Katalysatorkörper 5 durch Betätigung der Knebelschraube 6 erneut mit der porösen Pia Ue 4 in Berührung gebracht. Durch die erneut in Gang gebrachte Zersetzung bildet sich weiteres Sauerstoffgas, wodurch der Druck im Gasraum 8 weiter ansteigt Durch Wiederholung dieses Vorgangs wird der gewünschte Förderdruck eingestellt

Der Gasdruck im Raum 8 wirkt auch durch die poröse hydrophobe Scheibe 11 auf den Gasraum 12 oberhalb des Flüssigkcitsspiegels. Die Kapillardepression in der porösen hydrophoben Scheibe 11 ermöglich: es, den Vorratsbehälter um mehr als 90' zu kippen, ohne daß die Flüssigkeit 2 unmittelbar an den Katalysatorkörper 5 fließt. Zur Erniedrigung eines erhöhten Gasdrucks kann ein Sicherheitsventil an der Wand des Gasraums 8 angeordnet werden. Durch den Gasdruck wird die Flüssigkeit 2 über die Leitung 13, cks Steigrohr 14 und die Kapillare 16 an die Arbeitsschicht der Sauerstoffelektrode 15 eines Brennstoffelementes gefördert. Das Flüssigkeitsniveau im Vorratsbehälter 1 sinkt und gleichzeitig sinkt der Gasdruck in den Räumen 12 und 8. Infolge des abnehmenden Druckes wird die Federmembran 9 so h.wegt, daß der Katalysatorkörper 5 wieder mit der pe. rasen Platte 4 in Kontakt gerät. Eine Gasentwicklung wird eingeleitet, die so lange anhält, bis sich der ursprüngliche Druck wieder eingestellt hat und der K lUilysatorkörper 5 und die poröse Platte 4 wieder {Μrennt sind. Die \uslenkung der Federmembran 9 wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck in den Gasräumen 8 und 12 und dem Außcndruck (z. B. atmosphärischer Luftdruck) bestimmt. Fs ist jedoch auch eine Ausführungsform der crfindimgsgemäßcn Vorrichtung möglich, die unabhängig wm Außendruck arbeitet. So kann man den Luftdruck, der auf der Federmembran 9 ruht, durch eine Feder ersetzen, deren Druck groß gegenüber dem Luftdruck ist. Die Knebclschraube 6 wird in diesem Fall durch eine andere Knebclschraube zur Einstellung des Federdruckes auf der Membran ersetzt.

Sobald das flüssige Reaktionsmittel 2 die Elektrode 15 erreicht, läuft nach einer gewissen Verzögerung an dem Katalysatormatcrial der Elektrode die Zersctzungsreaktion ab, die zur Bildung von Sauerstoffgas führt, wobei das in der Kapillare 16 befindliche flüssige Reaktionsmittel durch das entstehende Gas zurückgedrängt wird. Auf diese Weise wird die Zcrselzungsreaktion an der Elektrode unterbrochen. Bezeichnet man mit p_s den Druck des entstandenen Gaspolsters an der Elektrode 15, mit p_v den Gasdruck in den Gasräumen 8 und 12 des Vorratsbehälters 1 und mit p_h den hydrostatischen Druck des flüssigen Reaktionsmittels, so gilt (sofern kein Gasverbrauch erfolgt)

p_h.

Die Elektrode 15 ist funktionsfähig, wenn der Druck p_x dem Arbeitsdruck der Elektrode entspricht. Wird das Brennstoffelement elektrisch belastet, so sinkt infolge des Gasverbrauchs der Druck p_K, so daß das flüssige Reaktionsmittel 2 in Richtung auf die Elektrode 15 fließt. Sobald das zwischen dem flüssigen Reaktionsmitlei 2 und der Elektrode 15 befindliche Gasvolumen verbraucht ist, beginnt das flüssige Reaktionsmittel 2 die katalytisch aktive Elektrodenschicht zu benetzen. Da die Zersetzungsreaktion nicht spontan erfolgt und andererseits die Zuflußgeschwindigkeit des flüssigen Reaktionsmittels an die Elektrode durch den ständig fließenden Belastungsstrom auch nach deren Benetzung andauert, fließt stets mehr flüssiger Reaktionspartner und damit mehr freisetzbares Reaktionsgas bis zum Zeitpunkt des Zersetzungsbeginns an die Elektrode a!s dem Belastungs-

strom entspricht. Unter dieser Bedingung ergibt sich ein Gasüberschuß, der zu einer Druckerhöhung führt. Um zu vermeiden, daß sich bei konstantem Gasverbrauch der Druck das Gesamtsystem in dem geschilderten Sinne fortlaufend erhöht, sind die in Fig. I vorgesehenen Steigrohre 14 bis 17 notwendig. Stets muß der flüssige Reaktionspartner, der vom Vorratsbehälter 1 geliefert wird, das Steigrohr 14 bzw. 17 • von unten nach oben durchfließen. Die Steigrohre sind so zu dimensionieren, daß das bei einer Zersetzung entstehende überschüssige Gas volumen voll aufgenommen werden kann. Auf diese Weise wird der durch die Zersetzung hervorgerufene Druckanstieg durch die Steigleitung aufgefangen und durch Zurückdrücken der Flüssigkeit abgeglichen. Das entstandene überschüssige Gasvolumen muß erst verbraucht werden, ehe der flüssige Reaktionspartner die Elektrode wieder benetzen kann, wonach sich der oben geschilderte Zersetzungsvorgang wiederholt.
Eine völlig analoge Regelung der Flüssigkeitszufuhr ergibt sich, wenn das in F i g. 1 gezeichnete Brennstoffelement ohne Stromlieferung als Gasgenerator betrieben wird. Wird z. B. über Leitung 13 eine . Wasserstoffperoxidlosung an die Elektrode 15 und über die Leitung 18 eine Natriumboranat-Lösung an die Elektrode 23 gefördert, so läßt sich durch öffnen des Ventils 19 über die Leitung 20 Sauerstoff und durch Öffnen des Ventils über die Leitung 21 Wasserstoff entnehmen.

Die am Vorratsgefäß 1 unten links angebrachte Leitung 24 kann zum Ankoppeln weiterer Vorratsgefäße benutzi werden.

Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Nachführung der Flüssigkeit 2 aus dem Vorratsbehälter 1 an den Zersetzungskatalysator in der Schicht 15 der Elektrode eines Brennstoffelements über die Leitung 13 und die Steigleitung 14. An den freien Gasraum 8 oberhalb des Spiegels der Flüssigkeit 2 im Vorratsbehälter 1 ist die Vorrichtung zur Druckregulierung über die Leitung 30 angeschlossen. Das geschlossene Druckgefäß wird gebildet durch den unteren Teil des Behälters 31, welcher nach oben durch die undurchlässige elastische Membran 32 abgeschlossen ist. Der poröse Saugkörper 33 befindet sich in dem geschlossenen Druckgefäß. Über diesem Saugkörper 33 befindet sich der Katalysatorkörper 34, der fest mit der beweglichen Membran 32 verbunden ist. Im oberen Teil des Behälters 32 befindet sich ein Gewindestück 35, ein Gewindebolzen 36 und eine Druckplatte 37. Über die Druckplatte 37 wird durch den Gewindebolzen 36 der Feder 38 und damit der Membran 32 eine Vorspannung erteilt, die dem gewünschten Druck des Fördergases im Raum 39 entspricht. Wenn der Druck des Fördergases unter dem gewünschten Druck liegt, wird durch die Feder der Katalysatorkörper 34 an den porösen Saugkörper 33 gedrückt. Der poröse Körper 33 ist vor Inbetriebnahme der Vorrichtung über eine nicht gezeichnete

öffnung mit der zersetzbaren Flüssigkeit gefüllt worden. Ais Katalysatormaterial kann beispielsweise bei einer 16%igen Lösung von Natriumboranat in 6 nwäßriger Natronlauge ein Nickelsinterkörper verwendet werden. Wenn die zu fördernde Flüssigkeit 2 ebenfalls eine 16°/oige Lösung von Nalriumboranat in 6 η-Natronlauge ist, kann der Saugkörper 33 auch durch Kippen der Vorrichtung aus dem Behälter ί gefüllt werden, wobei die Flüssigkeit 2 über die Leitung 30 an den Saugkörper 33 gelangt.

Die Vorrichtung kann auch so gestaltet werden, daß der Saugkörper 33 beweglich und der Kalalysatorkörper 34 fest ist.

Durch die Förderung der Flüssigkeit 2 aus dem Vorratsbehälter 1 an die Elektrode 15 wird das Volumen des freien Gasraurnes 8 oberhalb der Flüssigkeil 2 vergrößert. Damit sinkt der Gasdruck in dem aus den Räumen 8 und 39 unter der Leitung 30 gebildeten Gasraum allmählich ab, so daß die bei den· gewünschten Gasdruck abgehobene Membran 32 unc der Kalalysalorkörpcr 34 wieder durch die Feder 3i nach unten gegen den Saugkörper gedrückt werden Durch geeignete Dimensionierung der Gasvolumer kann man daher bei der erfindungsgcmäßen Vorrich tung stets erreichen, daß nur relativ geringe Schwan kungen des Förderdrucks eintreten.

Eine kontinuierlich regelbare Gas- oder Strom entnahme bei konstantem Druck ist möglich, solange die Zersetzungsgeschwindigkeit des flüssigen Rcak tionspartners an den Elektroden 15 und 23 sowie sein< mögliche Zuflußgeschwindigkeit größer ist als die ent sprechende Gas- bzw. Stromentnahme.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 den Diffusionselektroden entsprechend der dem Patentansprüche: Brennstoffelement entnommenen Leistung zuzuführen. Man kann auch an Stelle anderer Fördermittel

1. Verfahren zur automatischen Nachführung die Flüssigkeiten durch Gasdruck an die Elektroden von katalytisch zersetzbaren flüssigen oder gc- 5 fördern.

lösten Stoffen, die Wasserstoff bzw. Sauerstoff ab- Es ergab sich die Aufgabe, ein Verfahren zur autogeben, aus einem Vorratsbehälter an die Kataly- matischen Nachführung der katalytisch zersetzbaren salorelektrode(n) eines Brennstoffelementes durch Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter an die Katalyden Druck eines Fördergases, dadurch gc- satorelektrode(n) in einem Brennstoffelement und kennzeichnet, daß der Förderdruck ver- io möglichst einfache Vorrichtungen zur Durchführung mittels der zersetzbaren Flüssigkeil oberhalb des dieses Verfahrens zu finden.

Flüssigkeitsspiegels im Vorratsbehälter automa- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das tisch dadurch eingeregelt wird, daß durch federnde Verfahren gelöst, daß der Förderdruck vermittels der Kontaktierung eines mit der zersetzbaren Flüssig- zersetzbaren Flüssigkeit oberhalb des Flüssigkeitskeit gefüllten Saugkörpers mit einem Zersetzungs- 15 spiegeis im Vorratsbehälter automalisch dadurch einkatalysalor Gas bis zum Erreichen eines vorge- geregelt wird, daß durch federnde Kontaktierung gebenen, Saugkörper und Katalysalorkörper von- eines mit der zersetzbaren Flüssigkeit gefüllten Saugeinander trennenden Elektroden-Arbeitsdrucks er- körpers mit einem Zersetzungskatalysalor Gas bis zeugt wird, wodurch die Wasserstoff bzw. Sauer- zum Erreichen eines vorgegebenen, Saugkörper und stoff abgebende Flüssigkeit an die mit dem Vor- 20 Kalalysatorkörper voneinander trennenden Elcktroratsbehältcr in Verbindung stehende Katalysator- den-Arbeitsdrucks erzeugt wird, wodurch die Wassorelcktrode gefördert und der an der Elektrode ent- stoff bzw. Sauerstoff abgebende Flüssigkeil an die mit stehende Gasüberschuß von der vom Vorrats- dem Vorratsbehälter in Verbindung stehende Katalybehälter zur Elektrode führenden Steigleitung auf- satorelektrodc gefördert und der an der Elektrode entgenommen wird. 25 stehende Gasüberschuß von der vom Vorratsbehälter

2. Vorrichtung zur Durchführung des Ver- zur Elektrode führenden Steigleitung aufgenommen fahrens nach Anspruch 1 zur automatischen wird.

Nachführung der zersetzbaren Flüssigkeit, da- Die zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete durch gekennzeichnet, daß der geschlossene, mit Vorrichtung für die automatische Nachführung ist so einer am Boden angeordneten Ableitung (13) zur 30 ausgebildet, daß der geschlossene, mil einer am Boden Katalysatorelektrode (15) des Brennstoffelementes angeordneten Ableitung zur Katalysatorelcklrode des versehene Vorratsbehälter (1) oberhalb einer über Brennstoffelementes versehene Vorratsbehälter obcrdem Flüssigkeitsspiegel befindlichen hydrophoben halb einer über dein Flüssigkeitsspiegel befindlichen porösen Scheibe (11) einen Katalysatorkörper (5) hydrophoben porösen Scheibe einen Katalysatorkörcnthält, der mit einer einen Teil der Wand des 35 per enthält, der mit einer einen Teil der Wand Behälters (1) bildenden beweglichen Membran (9) des Behähers bildenden beweglichen Membran ververbunden ist, während sich unterhalb des Kataly- bunden ist, während sich unterhalb des Katalysatorsatorkörpers (S) ein mit der zersetzbaren Flüssig- körpers ein mit der zersetzbaren Flüssigkeit in Verkeit in Verbindung stehender Saugkörper (4) be- bindung stehender Saugkörper befindet, der eine Konfindet, der eine Kontaktfläche für den Katalysator- 40 taklfläche für den Katalysalorkörper aufweist,
körper aufweist. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung

zur Durchführung des Verfahrens enthält ein geschlos-

senes Druckgefäß einen fest angeordneten Katalysatorkörper. Dieser ist mit einer beweglichen Membran 45 verbunden, welche einen Teil der Wand des Gefäßes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und geeignete bildet und mit einer außerhalb des Gefäßes ange-

Vorrichtungen zur automatischen Nachführung von brachten an sich bekannten Vorrichtung zur Einstcl-

kalalytisch zersetzbaren flüssigen oder gelösten Stoffen lung einer Federspannung verbunden ist. Das gc-

aus einem Vorratsbehälter an die Katalysatorelek- schlosscne Druckgefäß isl über eine Leitung mit dem

Irode(n) eines Brennstoffelementes durch den Druck 50 freien Gasraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im

eines Fördergases. Vorratsbehälter verbunden.