DE19615881C2 - Miniaturmodell einer Elektrolyse-/Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung enthal­ tend einen Elektrolyseur, eine Brennstoffzelle sowie eine Schlauchverbindung mit kleinem Durchmesser der eingesetzten Schläuche zwischen Elektrolyseur und Brennstoffzelle, die der Zuführung der im Elektrolyseur erzeugten Produktgase zur Brennstoffzelle dienen.

Unter Schlauch mit kleinem Schlauchdurchmesser ist ein Schlauch zu verstehen, der durch Blasenbildung infolge eines in den Schlauch gelangten Flüssigkeits-/ Gasgemisches zugesetzt werden kann. Der Innendurchmes­ ser des Schlauches beträgt somit lediglich einige Mil­ limeter (maximal 1 cm).

Schlauch- oder Rohrverbindungen mit derart geringen Durchmessern werden eingesetzt, wenn Brennstoffzelle und Elektrolyseur entsprechend klein gebaut sind. Die Erfindung bezieht sich daher auf ein "Tischmodell", welches auf Tischen abgestellt sowie von einer Person ohne weiteres von einem Ort zum anderen getragen werden kann.

Ein Tischmodell mit Behältern zwischen Elektrolyseur und Brennstoffzelle ist aus DE 295 01 065 U1 bekannt. Eine solche Vorrichtung dient Vorführungs- oder Schu­ lungszwecken. In der Regel weist eine solche Vorrich­ tung noch Solarzellen auf, die den Elektrolyseur mit Strom versorgen sowie einen Stromverbraucher, der sei­ nen Strom von der Brennstoffzelle bezieht. Als Verbrau­ cher kann z. B. ein Elektromotor eingesetzt werden.

Derartige Anlagen sind kommerziell erhältlich.

Mittels des durch die Solarzellen gewonnenen Stromes wird im Elektrolyseur Brenngas (z. B. Wasserstoff) und Sauerstoff erzeugt. Die erzeugten Gase werden der Brennstoffzelle zugeführt. In der Brennstoffzelle die­ nen die Gase der Stromerzeugung. Mittels des Stromes wird der Verbraucher betrieben.

Die vorgenannte Anlage soll umweltfreundliche Stromer­ zeugungs- und Stromspeicherungsmöglichkeiten demon­ strieren. Das Modell soll insbesondere in Schulen z. B. im Physikunterricht zur Anwendung kommen.

In der Schule wird eine solche Anlage für eine Unter­ richtsstunde am Anfang ein- und am Ende wieder ausge­ schaltet. Innerhalb von wenigen Stunden kann sich die­ ser Vorgang wiederholen.

Die kommerziell erhältlichen Anlagen weisen den Nach­ teil auf, daß kurzfristiges Aus- und Einschalten zur Folge hat, daß die Anlage mehr als 10 Minuten Zeit be­ nötigt, ehe Strom von der Brennstoffzelle erzeugt wird. Aus vorgenannten Umständen ist es jedoch erforderlich, zu deutlich kürzeren Einschaltzeiten zu gelangen, um den Unterricht oder Vorführungen nicht mit unzumutbar langen Wartezeiten zu belasten.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrich­ tung der eingangs genannten Art, bei der keine langen Wartezeiten beim Wiedereinschalten der Anlage in Kauf genommen werden müssen.

Zur Lösung der Aufgabe weist die Anlage der eingangs genannten Art Mittel zur Trennung von Produktgasen von der Elektrolytflüssigkeit derart auf, daß die Schlauch­ verbindungen (hierunter sind auch Rohrverbindungen zu verstehen) im wesentlichen frei von Elektrolytflüssig­ keit bleiben.

Bei den bekannten kommerziell erhältlichen Anlagen tritt zusammen mit einem Produktgas stets auch Elektro­ lytflüssigkeit aus dem Elektrolyseur in den Schlauch ein. Wird die Vorrichtung ausgeschaltet, so bilden sich Blasen aufgrund der mit den Gasen mitgeführten Elektro­ lytflüssigkeit im Schlauch aus. Diese müssen beseitigt werden, wenn erneut Produktgas durch die Schlauchver­ bindung geleitet werden soll. Es wurde festgestellt, daß sich diese Blasenbildung stark verzögernd auf die Wiederinbetriebnahme der Anlage auswirkt. Die Zeit zwischen Wiedereinschalten der Anlage und ihrer vollen Funktionstüchtigkeit konnte daher durch Mittel gemäß kennzeichnendem Merkmal des Hauptanspruchs erheblich reduziert werden.

Unter dem Begriff "im wesentlichen frei von Elektrolyt­ flüssigkeit" ist zu verstehen, daß nur noch ein An­ fangsbereich der Schlauchverbindungen (ab Austritt aus dem Elektrolyseur) von der Blasenbildung im Schlauch nach Ausschalten der Anlage betroffen ist. Ein Teil­ stück von wenigstens 70% der Schlauchverbindungen sollte auf diese Weise nicht von der Blasenbildung be­ troffen sein.

Als Mittel zur Trennung des Produktgases von der Elek­ trolytflüssigkeit eignet sich insbesondere ein Gasab­ scheider, durch den das Produktgas vor Eintritt in die Brennstoffzelle geleitet wird. Der Gasabscheider weist einen Hohlraum auf, der Mittel zur Trennung von Gas und Flüssigkeit beinhaltet. Im einfachsten Fall besteht dieses Mittel aus einem Drahtgeflecht. Die Leitung, die vom Elektrolyseur zum Gasabscheider führt, verläuft dann vorzugsweise derart, daß Flüssigkeit, die sich auf dem Drahtgeflecht oder in dieser Schlauchverbindung ab­ scheidet, mittels Schwerkraft in den Elektrolyseur zu­ rückfließt.

Durch den Gasabscheider wird bewirkt, daß die Schlauch­ verbindung - soweit der Bereich zwischen Abscheider und Brennstoffzelle betroffen ist - frei von Flüssig­ keitstropfen bleibt. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei einer Wiederinbetriebnahme die Anlage innerhalb von wenigen Minuten betriebsbereit ist.

Vorteilhaft ist das Teilstück der Schlauchverbindung zwischen Elektrolyseur und Gasabscheider kurz im Ver­ hältnis zum zweiten Teilstück, welches sich zwischen Gasabscheider und Brennstoffzelle befindet. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Schlauchverbindung im wesentlichen frei von Elektrolytflüssigkeit bleibt. Das Teilstück der Schlauchverbindung zwischen Elektro­ lyseur und Gasabscheider ist daher vorteilhaft nicht länger als 10 cm. Es sollte insbesondere kürzer als 5 cm sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist ergänzend zum Mittel zur Trennung des Produktgases von der Elek­ trolytflüssigkeit vorgesehen, daß die Schlauchver­ bindung - vom Elektrolyseur kommend - kontinuierlich ansteigt. Auf diese Weise wird bewirkt, daß die in den Schlauch gelangte Flüssigkeit schwerkraftbedingt in den Elektrolyseur zurückfließt.

Ein kontinuierlicher Anstieg der Schlauchverbindung mit dem kleinen Durchmesser - vom Elektrolyseur kommend - stellt kein Mittel zur Trennung des Produktgases von der Elektrolytflüssigkeit im Sinne des Hauptanspruchs dar.

Vorteilhaft sind separate Rückflußleitungen vorgesehen. Diese leiten Elektrolytflüssigkeit aus dem Gasabschei­ der zurück in die Elektrolysezelle. Auf diese Weise be­ einträchtigt der gegenläufige Rücktransport der Flüs­ sigkeit nicht den Transport der Produktgase. Des weite­ ren sorgen die separaten Rückflußleitungen für einen Druckausgleich in der Elektrolysezelle.

Aufgrund des auf diese Weise sichergestellten gleich­ mäßigen Druckes in der Elektrolysezelle arbeitet diese im Vergleich zum genannten Stand der Technik störungsfrei mit konstanter Leistung. Ohne separate Rückflußleitungen treten Druckschwankungen bei Elektrolysezellen der eingangs genannten Art auf, die zu Leistungsschwankungen führen. Diese Druckunterschiede können sogar dazu führen, daß eine Kammer in der Elektrolysezelle vollständig entleert und so der Betrieb unterbrochen wird. Dieses Problem wird durch Rückflußleitungen gelöst.

In einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Kam­ mern des Elektrolyseurs über eine Schlauch- oder eine Rohrverbindung miteinander verbunden. Diese Verbindung fördert einen Druckausgleich innerhalb des Elektroly­ seurs. Bevorzugt mündet diese Rohr- oder Schlauchver­ bindung in die oder nahe bei den Böden der beiden Kam­ mern des Elektrolyseurs ein, um so in optimaler Weise den gewünschten Druckausgleich zu bewirken.

Fig. 1 zeigt einen bevorzugten Aufbau der Vorrichtung.

In der Elektrolysezelle 1 befindet sich eine 30%ige Ka­ lilauge (KOH in Wasser). Die Kalilauge wird durch Wel­ lenlinien dargestellt. Es entstehen in der Zelle 1 Sau­ erstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) als Produktgase. Über zwei Schlauchverbindungen 2, 3 gelangen die Gase ge­ trennt in jeweils eine Kammer 4, 5 eines Trenngefäßes.

Zusammen mit den Gasen wird KOH aus den beiden Kammern der Elektrolysezelle 1 in die Röhrchen 2, 3 transpor­ tiert. Die Transportwege 2, 3 verlaufen so, daß die Gase entgegengesetzt zur Schwerkraft transportiert wer­ den. In den beiden Kammern 4, 5 des Trenngefäßes befin­ den sich engmaschige Drahtgeflechte 6 aus Nickel. Die Produktgase durchströmen die Drahtgeflechte 6, wohinge­ gen die mitgeführte Kalilauge sich hier abscheidet und sich am Boden in den Kammern 4, 5 sammelt.

Um den Rücktransport der Kalilauge und um einen Druck­ ausgleich in der Elektrolysezelle 1 sicherzustellen, sind zwei separate Rückführleitungen 7, 8 an den Böden der Kammern 4, 5 vorgesehen, die die abgeschiedene Ka­ lilauge in den Elektrolyseur 1 zurückleiten.

Die Rückführleitungen 7, 8 münden am Boden des Elektro­ lyseurs 1 ein. Die Rohrverbindungen 2, 3 zu den Kammern 4, 5 werden dagegen am entgegengesetzten Ende des Elek­ trolyseurs 1 herausgeführt. Diese Anordnung dient ebenfalls der Unterstützung eines Druckausgleiches.

Die Rückführleitungen 7, 8 stehen über die Leitung 9 miteinander in Verbindung, um einen Druckausgleich in der Elektrolysezelle 1 weiter zu fördern.

Entgegengesetzt zur Schwerkraft leiten Schlauchverbin­ dungen die beiden Produktgase H₂ und O₂ getrennt aus den beiden Kammern 4, 5 des Trenngefäßes wieder heraus. Über nicht dargestellte Abtauchgefäße werden die Pro­ duktgase dann einer ebenfalls nicht dargestellten PEM- Brennstoffzelle zugeführt.

Wesentlich bei diesem Aufbau sind die verhältnismäßig kurzen Schlauchverbindungen 2, 3 zwischen Elektrolyse­ zelle 1 und dem Trenngefäß, die im vorliegenden Fall 6 cm betragen. Des weiteren ist die "ansteigende" Schlauchführung von Bedeutung, so daß die Gase entge­ gengesetzt zur Schwerkraft aus Zelle 1 und Kammern 4, 5 herausgeleitet werden. Schwerkraftbedingt wird die Ka­ lilauge auf diese Weise schließlich zurückgehalten.

Pfeile in Fig. 1 deuten die jeweilige Strömungsrich­ tung der Gase und Flüssigkeiten in den Schlauch- oder Rohrverbindungen an.

Der Elektrolyseur wird über eine Zuleitung 10 mit einem Einfüllgefäß 11 mit Elektrolytflüssigkeit versorgt. Die Zuleitung 10 steht mit beiden Rückführleitungen 7, 8 in Verbindung, so daß selbst während des Betriebes die Versorgung des Elektrolyseurs mit Elektrolytflüssigkeit durchgeführt werden kann. Das Einfüllgefäß 11 befindet sich räumlich oberhalb der Oberkante der Elektrolyse­ zelle. Es kann mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt wer­ den.

In der Zeichnung ist die teilweise Befüllung des Gefäßes 9 durch Wellenlinien angedeutet worden. Auf diese Weise wird für eine begrenzte Zeit für einen au­ tomatischen Nachschub von Elektrolytflüssigkeit für den Elektrolyseur 1 gesorgt.

Der Gasabscheider besteht aus einem Plexiglasrohr 12 von 155 mm Länge mit einem Innendurchmesser von 14 mm. Drei Gummistopfen 13, 14, 15 unterteilen das Rohr in die zwei Kammern 4, 5. Kunststoffplatten 16, 17 trennen die Drahtgeflechte 6 von der sich darunter ansammelnden Kalilauge.

Mit diesem Aufbau konnte die Wartezeit zwischen Wieder­ einschalten der Vorrichtung und ihrem Betrieb um einen Faktor 4 bis 5 verkürzt werden.

Claims (3)

1. Vorrichtung enthaltend eine Brennstoffzelle und einen Elektrolyseur (1) sowie Schlauchverbindungen mit kleinem Durchmesser, die der Zuführung der im Elektrolyseur (1) erzeugten Produktgase zur Brennstoffzelle dienen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (6) zur Trennung von Produktgasen von der Elektrolytflüssigkeit derart vorgesehen sind, daß die Schlauchverbindungen im wesentlichen frei von Elektrolytflüssigkeit bleiben.

2. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch mit Mitteln (7, 8, 9) zur Herbeiführung eines Druckausgleiches im Elektrolyseur (1).

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Rückflußleitungen (7, 8) vom Mittel (6) zur Trennung von Produktgasen von Elektrolytflüssigkeit.