DE2050951C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Rückgewinnen flüssiger Elektrolytverluste aus den Gaskammern einer Brennstoffzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rückgewinnen flüssiger Elektrolytverluste aus den Gaskammern einer Brennstoffzelle mit zwei Gaskreisläufen und einem Elektrolytkreislauf.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Rückgewinnen der flüssigen Elektrolytverluste aus den Gaskammern für oxydierendes sowie reduzierendes Gas einer Brennstoffzelle mit Gaskreisläufen und einem Elektrolytkreislauf, mit einer Elektrolytspeisung und einer Elektrolytrückführung am Austritt aus der Zelle.

Bekannt ist nach der DE-OS 14 96 103 die Konzentration des flüssigen Elektrolyten einerseits dadurch konstant zu halten, daß man seine Verdünnung durch eine Ansammlung von Wasser, die sich während der chemischen Reaktion gebildet hat, dadurch verhindert, daß die Verdampfung des Elektrolytwassers kompensiert wird, indem der Elektrolytkammer durch Kondensation rückgewonnenes Wasser zugeführt wird, das aus der chemischen Reaktion stammt, die sich in der Brennstoffzelle selbst abspielt

Eiektrolytverluste bei diesem Verfahren bleiben unvermeidlich. Abgesehen von einer möglichen Verstopfung der Speisekanäle durch Elektrolyten kann es auch zu einem Abfall des Elektrolytniveaus in der

ίο Elektrolytkammer führen, das durch einen Niveaudetektor unvermeidlicherweise durch die Einführung reinen Wassers kompensiert wird. Dies andererseits bedeutet eine Elektrolytverdünnung, die, je stärker die Verluste sind, umso größer wird.

Die US-PS 32 87 167 schlägt ebenfalls vor, durch Kondensation bei der chemischen Reaktion erzeugte Wasser rückzugewinnen. Auch hier ist eine Verdünnung des Elektrolyten in Kauf zu nehmen.

Demgegenüber Hegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Flüssigkeitsverluste des Elektrolyten vor der Kondensation des Wasserdampfs aufgrund der chemischen Elektrolytreaktion rückzugewinnen und diese dann in die Elektrolytkammer derart einzuführen, daß die Gesamtkonzentration dieses Elektrolyten nicht modifiziert wird. Die in der Elektrolytzusammensetzung auftretende Wassermenge kann in üblicher Weise konstant gehalten werden.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß vor jeder Behandlung der aus der Zelle austretenden Gase in jedem der Kreise, für die oxydierenden und reduzierenden Gase getrennt, der flüssige Elektrolyt, der infolge der Schwerkraft in jedem dieser Kreise an die Basis der Zelle geflossen ist, gesammelt wird und daß die aus dem einen und dem anderen dieser Kreise gewonnenen Elektrolytmengen ohne die Möglichkeit eines Mischens des oxydierenden und des reduzierenden Gases getrennt aufgegangen und die so gesammelten Elektrolyte in den Elektrolytkreislauf zurückgeführt werden.

Vorzugsweise wird mit einer Vorrichtung gearbeitet, die sich auszeichnet durch Kammern zur Rückgewinnung des flüssigen Elektrolyten, die auf einem Niveau, das niedriger als das des Zellenblocks ist, angeordnet und jeweils mit der Basis dieser Gaskammern -verbunden sind, wobei diese Kammern in ihrem unteren Bereich mit den Kreislaufrückführeinrichtungen für den Elektrolyt verbunden sind und jeweils Einrichtungen umfassen, die jeden Austritt des in den Kammern enthaltenen Gases in den Elektrolytkreislauf vermeiden.

Es wird somit möglich, über einen unbegrenzten Zeitraum die Brennstoffbatterie mit dem Elektrolyten zu betreiben; der Elektrolyt wird rückgewonnen, jedes Gemisch aus oxydierenden und reduzierenden Gasen vermieden.

Die Zeichnungen erläutern die Erfindung, ohne sie zu begrenzen. Diese zeigt in

F i g. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Vorrichtung;
F i g. 2 eine zweite Ausführungsform.

In die Brennstoffbatterie 1 führt man über die Leitung 2 Luft ein, die aus den Luftkammern der Batterie über die Leitung 3 austritt. Die Luft kann gegebenenfalls, wenigstens zum Teil, mit einem Zusatz an Frischgas rückgeführt werden.

^M Die Zuführung von Wasserstoff, der aus den Wasserstoffkammern der Batterie über die Leitung 5 geführt wird, und dann nach Kühlung im Kreislauf rückgeführt wird, erfolgt bei 4, während ein Elektrolyt,

beispielsweise ein Kaliumhydroxid (KOH) in die Brennstoffbatterie über die Leitung 6 eintritt und bei 7 die Batterie verläßt

Am Austritt aus der Brennstoffzelle wird der Elektrolyt über die Leitung 8 quer durch eine Kühlvorrichtung 9 geführt, bevor er im Behälter 10 gesammelt wird, wo er in die Brennstoffzelle, beispielsweise durch eine mit Rückschlagventil 12 versehene Pumpe P über die mit Rohr 6 verbundene Leitung 11 rückgeführt wird.

Der aus der Brennstoffzelle über die Leitung 5 austretende Wasserstoff kann etwas Elektrolyt mitreißen, welcher in der Vorrichtung nach der Erfindung bei Durchgang in einer Kammer 13 rückgewonnen wird, wo dieser Elektrolyt infolge Schwerkraft sich vom Wasserstoff trennt, wobei letzterer anschließend in die Brennstoffzelle über das Rohr wieder eingeführt wird.

Der wiedergewonnene Elektrolyt sammelt sich am Boden der Kammer 13.

In analoger Weise kann die die Brennstoffzelle durchsetzende Luft Elektrolyt mitreißen,- aufgrund der Anordnung nach der gewählten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Luft die Brennstoffzelle von unten nach oben durchströmt, rieselt der in die Luftkammer eingetretene Elektrolyt längs der Wandungen des Rohres 2 nach unten und kann im Behälter 14 aufgefangen werden, der mit der Leitung 2 in seinem oberen Teil verbunden und mit einem Lufteintrittsrohr 15 versehen ist

Eine Luftzirkulation von oben nach unten ist möglich.

Der im Behälter 14 aufgefangene Elektrolyt fließt über die Leitung 16 in die Kammer 17, die gegen die Atmosphäre bei 18 in ihrem oberen Teil offen sein kann, und sammelt sich im unteren Teil der Kammer 17.

Der in den Kammern 13 und 17 rückgewonnene Elektrolyt kann über die öffnungen 19 und 20 an der Basis dieser beiden Kammern jeweils über die Leitungen 23a und 236 ausfließen, die alle beide in einer einzigen Leitung 23 zur Rückführung zum Elektrolytbehälter 10 münden.

Die öffnungen 19 und 20 sind über Ventile 21 und 22 gesteuert, welche Schwimmer bilden, die durch den Elektrolyten angehoben werden und es diesem so ermöglichen, zur Leitung 23 zu fließen. Die in den Kammern 13 und 17 enthaltenen Gase können nicht über die öffnungen 19 und 20 entweichen, die durch die Schwimmer 21 und 23 verschlossen werden, wenn die Kammern 13 und 17 sich leeren, wobei die Schwimmer, die von der Flüssigkeit nicht mehr angehoben sind, die öffnungen 19 und 20 verschließen.

Diese Vorrichtung ermöglicht es, die Elektrolytverluste infolge Mitreißens durch Gase in Fortfall kommen zu lassen.

Auf diese Weise hat die Brennstoffzelle keinen Elektrolytverlust, was sie autonom macht und ihr ermöglicht, unbegrenzt mit einer konstanten Elektrolytmenge betrieben zu werden.

Nach der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Speicher 13 und 17 ersetzt durch einen einzigen Speicher 24, den vertikale Trennwände 25 und 26 in drei Kammern 27, 28 und 29 unterteilen, wobei diese Trennwände eine Verbindung zwischen den drei Kammern an ihrer Unterseite belassen.

ίο Die Kammern 27 und 29 haben am Kopf öffnungen 30 bzw. 31. Die Leitungen 5 und 16 münden an der oberen Wandung der seitlichen Kammern 27 bzw. 28 des Speichers 24; der rückgewonnene, aus diesen Leitungen stammende Elektrolyt steigt in jeder der Kammern des Speichers 24 auf Niveaus, die eine Funktion des Druckes des Gases in Kontakt mit dem Elektrolyt am oberen Teil jeder dieser Kammern des Speichers sind.

Die zentrale Kammer 29 des Speichers, in der sich der rückgewonnene Elektrolyt sammelt ist mit einer Überlauföffnung 32 versehen, über die der Elektrolyt in den Elektrolytbehälter 10 über die Leitung 33 ausfließt. Man stellt fest "iaß in der durch Fig.2 dargestellten Ausführungsform es der Elektrolyt selbst ist der für die Trennung zwischen den gasförmigen in den drei Kammern des Speichers 24 enthaltenen Phasen sorgt.

Die beiden in den F i g. 1 und 2 dargestellten Rückgewinnungseinrichtungen für die Elektrolytverluste bieten den Vorteil, daß kein Energieverbrauch erforderlich ist um diese Rückgewinnung zu bewerkstelligen. Tatsächlich sind die Kammern 13 und 17 (Fig. 1) sowie die Kammern 24 (Fig.2) auf einem Niveau tiefer als das der Brennstoffzelle 1 und höher als das des Elektrolytbehälters 10 angeordnet, wodurch der Elektrolyt einfach durch Schwerkraft in die Leitungen ausströmen kann.

Eine solche Anordnung ist zwar vorteilhaft, jedoch durchaus nicht zwingend; es wäre genauso möglich, den Behälter auf dem gleichen Niveau wie die Rückgewinnungskammern oder sogar oberhalb von diesen anzuordnen, indem in der Leitung 23 (Fig. 1) oder an der Leitung 33 (F i g. 2) eine Pumpe angeordnet würde, deren Energieverbrauch gering wäre, wenn man die geringe Menge an Elektrolytverlusten, die rückgewonnen wird, in Betracht zieht

Es wäre ebenfalls im Rahmen der Erfindung möglich, den Behälter 10 in der Ausführungsform der F i g. 2 fortfallen zu lassen, indem man die Rezyklierungsleitung 8 des Elektrolyten direkt in die Kammer 29 münden läßt, wobei der gesamte Elektrolyt dann in der Zelle ausgehend von dieser Kammer über die Pumpe P rezykliert wird, die dann mit dieser Abteilung der Kammer 24 verbunden wäre.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Rückgewinnen flüssiger Elektrolytverluste aus den Gaskammern einer Brennstoffbatterie mit zwei Gaskreisläufen und einem Elektrolytkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß vor jeder Behandlung der aus der Batterie austretenden Gase in jedem der Kreise, für die oxidierenden und reduzierenden Gase getrennt, der flüssige Elektrolyt, der infolge der Schwerkraft in jedem dieser Kreise an die Basis der Zelle geflossen ist, gesammelt wird und daß die so aus dem einen und dem anderen dieser Kreise gewonnenen Elektrolytmengen ohne die Möglichkeit eines Mischens des oxydierenden und des reduzierenden Gases getrennt aufgefangen und die so gesammelten Elektrolyte in den Elektrolytkreislauf zurückgeführt werden.

2. Vorrichtung zum Rückgewinnen der ftüssigen Eiektrolytverluste aus den Gaskammern für oxydierendes sowie reduzierendes Gas einer Brennstoffbatterie mit Gaskreisläufen und einem Elektrolytkreislauf, mit einer Elektrolytspeisung und einer Elektrolytrückführung am Austritt aus der Batterie, gekennzeichnet durch Kammern (17; 13) zur Rückgewinnung des flüssigen Elektrolyten, die auf einem Niveau, das niedriger als das des Zellenblocks (1) ist, angeordnet und jeweils mit der Basis dieser Gaskammern verbunden sind, wobei diese Kammern in ihrem unteren Bereich mit den Kreislaufrückführeinrichtungen (10; 12) für den Elektrolyt verbunden sind und jeweils Einrichtungen umfassen, die jeden Austritt des in den Kammern enthaltenen Gases in den Elektrolytkreislauf vermeiden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede dieser Kammern (13; 17) in ihrem unteren Teil eine Ausfließöffnung (19; 20) für den Elektrolyten aufweist, wobei diese Ausflußöffnungen von einem von den Elektrolyten anhebbaren Schwimmerventil (21; 22) steuerbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Kammern (14; 28) zur Elektroiytrückgewinnung aus dem oxydierenden Gas und eine Kammer (27) zur Elektrolytrückgewinnung aus dem reduzierenden Gas, wobei die Kammern (28; 27) in ihrem unteren Teil mit einer Flüssigkeitstrennkammer (29) in Verbindung stehen, die mit einer Abzugsöffnung (32) für den Elektrolyten auf einer Höhe versehen ist, die über der, auf der die Kammern kommunizieren, sich befindet.