DE2118371C2 - Brennstoffbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffbatterie mit

to einem Zellenblock, Leitungen zum Speisen dieses Zellenblocks mit Brennstoff und Sauerstoffträger wie Luft und einer Vorrichtung zur teilweisen Rückführung des Brennstoffs, wobei die Sauerstoffträgerspeiseleitung eine mit Reinigungsflüssigkeit für den Sauerstoff-

i> träger gespeiste Reinigungseinrichtung aufweist und der Elektrolyt sowie die Reinigungsflüssigkeit in zwei geschlossenen Kreisen zirkulieren.

Bei einer ähnlichen Brennstoffbatterie (DE-OS 14 96 300) werden das brennbare Gas und das Sauerstoffträgergas der Brennstoffzelle beispielsweise aus Druckgasflachen geliefert Einrichtungen vom Venturityp dienen aliein dazu, die im Kreislauf rückgeführten Mengen an Sauerstoffträger und Brennstoff von dem von den Gasströmen mitgerissene Elektrolyten zu befreien. Bei dieser Vorrichtung wird der Druck des verdichteten Brennstoffgases aus Raschen benutzt Dieses wird über Druckminderventil gegeben und verschiebt abwechselnd eine Anordnung von zwei durch eine Kolbenstange verbundenen Kolben, und zwar je nach Verbrauch von Brennstoff in der Brennstoffzelle, der dieses Brenngas abwechselnd über eine von zwei Leitungen, gesteuert durch einen Umsteuerhebel geliefert wird. Die abwechselnden Kolbenverschiebungen sorgen dafür, daß der Elektrolyt

J5 aus dem Speicher in die Zelle fließt, aus der der Elektrolyt in den Speicher zurückfließt.

Andere bekannte Brennstoffbatterien verfugen über Luftventilatoren, Zirkulationspumpen oder gesteuerte Stellorgane, alles Hilfseinrichtungen, die im allgemeinen

■to von Elektromotoren mit iiinem Teil der von der Brennstoffbatterie gelieferten Energie angetrieben werden. Der Gesamtwirkungsgrad wird hierdurch herabgesetzt, die Konstruktion verkompliziert.

Hierzu wurde bereits vorgeschlagen (P 21 13 265) den heißen, durch den Zellenblock gebildeten Teil der Brennstoffbatterie vertikal über dem kalten, durch den Reiniger für den Sauerstoffträger gebildeten Teil anzuordnen, mit einer Leitung zwischen den beiden Teilen, um infolge natürlicher Konvektion den gereinig-

so ten Sauerstoffträger zum heißen Teil zu führen. Hierdurch fiel bereits ein Teil der sonst notwendigen Hilfsaggregate weg, es war jedoch viel Höhe erforderlich, außerdem wurden wiederum statische Hilfseinrichtungen notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffbatterie mit geringem Platzbedarf in der Höhe und ein Minimum an statischen Hilfseinrichtungen anzugeben.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß überraschend einfach dadurch, daß eine statische Saugeinrichtung zur Zwangsbewegung des Sauerstoffträgers durch den Zellenblock vorgesehen ist und die Reinigungseinrichtung sowie der Zellenblock im wesentlichen auf dem gleichen Niveau zu beiden Seiten eines Wärmeaustau-

hί schers angeordnet sind, dem diese Elektrolyt- und Reinigungsflüssigkeitskreise zugeordnet sind und der im Gegenstrom bei Betrieb der Zelle einerseits von heißen aus dem Zellenblock austretenden Elektrolyt und

andererseits von der Reinigungsflüssigkeit für den in dor Reinigungsvorrichtung gekühlten Sauerstoffträger durchsetzt wird, wobei der Wärmetauscher gleichzeitig durch Thermosiphoneffekt die Zirkulation der Reinigungsflüssigkeit durch die Reinigungseinrichtung und die des Elektrolyten durch den Zellenblock hervorruft.

Vorzugsweise besteht die statische Saugeinrichtung aus einem mit dem .Brennstoffableitgas beheizten Brenner mit einem Kamin und einem Zugbeschleuniger.

Vorteilhaft ist die statische Saugeinrichtung ein durch den Brennstoffableitstrom betätigtes Venturirohr.

Günstig ist es, wenn die Reinigungseinrichtung über zwei getrennte Kammern, eine zum Reinigen des Sauerstoffträgers zur Speisung der Brennstoffbatterie, die andere zum Intensivieren der Kühlung der Reinigungsflüssigkeit durch Zufuhr zusätzlicher zum Speisen der Brennstoffbatterie nicht benötigter Luft umfaßt

Bei der Maßnahme nach der Erfindung fließen also Brennstoff und Elektrolyt rein statisch bedingt. Elektro-Iyt und Reinigungsflüssigkeit wenden infolge eines doppelten Thermosiphoneifekts verdrängt bzw. in Umlauf versetzt.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden, wobei nach diesem Beispiel der Sauerstoffträger durch die Umgebungsluft, der Brennstoff durch Wasserstoff gebildet wird. Hierbei zeigt

Fig. 1 in allgemein schematischer Darstellung die Gesamtanordnung einer Brennstoffbatterie;

Fig.2 eine schematische Teildarstellung von Reinigungseinrichtung, Wärmeaustauscher und zugeordneten Kreisen, insbesondere den doppelten Luftkreis;

Fig.3 schematisch den mit Erwärmung der Reinigungsflüssigkeit arbeitenden Generator;

Fig.4 eine schematische Darstellung eines Venturirohrs zur Versorgung mit Sauerstoff;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Venturirohrs zum Einsaugen von Luft; und

F i g. 6 eine schematische Darstellung eines porösen hydrophoben Rohres.

In Fig. 1 ist bei 1 eine Luftreinigungseinrichtung auf dem gleichen Niveau wie ein Zellenblock 2 angeordnet.

Die Luftreinigungseinrichlung nimmt an ihrem unteren Teil über die Leitung 11 herangeführte Umgebungsluft auf. Ein Teil dieser Luft wird gereinigt und geht zum Zellenblock 2 über eine Leitung 11a.

Die Reinigung erfolgt durch chemische Absorption, d. h. durch natürliche Diffusion des CO₂ der Luft in einer geeigneten nicht-regenerierbaren Reinigungsflüssigkeit wie beispielsweise Kaliumhydroxid oder Pottasche oder in einer regenerierbaren Flüssigkeit wie z. B. Mono- oder Diethanolamin. Mit der Pottasche erfolgt die Reinigung nach folgender Reaktion:

2 KOH + CO₂-. K₂CO₃ + H₂O

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Der der Luft Kohlendioxid entziehende Reiniger ist also ein Dekarbonator. Die in neuerer Zeit bekannt gewordenen Reinigungseinrichtungen haben ein ausgezeichnetes Absorptionsverhältnis, das 95% überschreiten kann und dies bei einem minimalen Druckverlust für die Luft.

Die Reinigungsflüssigkeit zirkuliert in Richtung der Pfeile eines Kreises 12; sie durchsetzt also die Reinigungseinrichtung in Gegenstrom zur aufsteigen- h5 den Luft, die sie ab'-.ühlt und durchsetzt von unten nach oben einen Wärmeaustauscher 3.

Vor dem Eindringen in den Reiniger von oben durchsetzt die Reinigungsflüssigkeit, wenn sie regenerierbar ist, einen Regenerator Γ; die Regenerierung erfolgt durch Erwärmung auf ungefähr 135°C; der Regenerator (Fig,3) umfaßt eine geschlossene Kammer 20, die von der Reinigungsflüssigkeit durchsetzt wird, sowie eine Wärmequelle, Bei dieser Wärmequelle kann es sich um einen Heizwiderstand 21 handeln, der an die Klemmen der Brennstoffzelle angeschlossen ist oder auch um einen Flammenbrenner oder einen katalytischen Brenner, der mit einer geringen Wasserstoffreaktion gespeist wird. Der Regenerator ist vorzugsweise einem Wärmeaustauscher 22 zugeordnet.

Der Zellenblock 2 ist von an sich bekannter Bauart und wird hier im Detail nicht beschrieben. In diesem Block werden die Durchgangsquerschnitte für die verschiedenen Fluide, Brennstoff (Wasserstoff) Sauerstoffträger (gereinigte Luft) und Elektrolyt (ein basisches Produkt wie beispielsweise KOH) derart bestimmt, daß die Druckverluste minimal werden. Der Elektrolyt wird vom überschüssigen Wasser derart gereinigt, daß sein KOH-Gehaltbf .-pielsweise konstant gehalten wird. Des Durchrühren des El-:ktroiyten (Kreis 13) wird erhalten, indem man ihn im Gegenstrom zur Reinigungsflüssigkeit (Kreis 12) im Inneren des Wärmeaustauschers 3 durch Ausnutzung der Antriebsleistung aufgrund eines Thermosiphoneffektes zirlulieren läßt.

Im Inneren der isolierten Kammer des Wärmeaustauschers 3 resultiert der Thermosiphoneffekt aus der Temperaturdifferenz zwischen einer heißen Quelle, die auf einem Wärmeaustausch mit dem Elektrolyten (Kreis 13) aus dem Zellenblock 2 zurückzuführen ist und einer kalten Quelle, die auf die Kühlung mittels völlig oder zum Teil gereinigter Umgebungsluft aus der Reinigerflüssigkeit (Kreis 12) zurückzuführen ist.

Die thermische durch, die elektrochemischen Reaktionen im Zellenblock entwickelte Energie wird also direkt in mechanische Energie ohne Verminderung des Wirkungsgrades der Batterie umgewandelt, wobei die doppelte Rolle dieser Energie es ist, den Elektrolyten im Kreis 13 und die Reinigerflüssigkeit im Kreis 12 zum Z.rkulieren zu bringen.

Wasserstoff ausreichender Reinheit wird aus einer Flasche 4 unter Druck zugeführt und über eine Drosseldüse eines Venturirohres 5 (F i g. 4) geleitet. Der divergente Teil des Venturirohrs wird an eine Leitung 14 angeschlossen, die Wasserstoff zum Kopf des Zellenblocks 2 führt, während der konvergente Teil mit einer Leitung 14a verbunden wird, die den Wasserstoff, der nicht reagiert hat, rückgewinnt. In diesem Kreis 14a dient ein Kondensator 6 dazu, den Wasserdampf niederzuschlagen, welcher den überschüssigen Wasserstoff begleitet. Der Saugeffekt des Venturirohrs wirkt auf jif Leitung 14a und auf eine Umgehungsleitung 146 bzw. einem Ableitkreis. Dieser Ableitkreis ist dafür da, den Anteil an Verunreinigungen des Wasserstoffs konstant zu halten und eine Vorrichtung 7 zum Ansaugen von Sauerstoffträgheit zu speisen. Diese Einrichtung 7 kann ein einfacher, mit Wasserstoff aus dem Ableitkreis 146 und mit überschüssigen aus dem Brennstoffzellenblock 2 austretender Luft über die Leitung lic gespeister Brenner sein, wobei gegebenenfalls oberhalb des Brenners ein Kamin und ein Zugbeschleuniger angeordnet sein kann. Diese Einrichtung 7 kann auch als ein Venturirohr (Fig. 5) ausgebildet sein, dessen engster Querschnitt vom gleichen Ableitkreis 146 gespeist wird und dessen konvergenter Teil mit der Abführleitung lic für

ÜberschuBluft und Wasserdampf verbunden ist.

An der Leitung Uc ist bei 8 ein Regler der Bauart mit Ventil vorgesehen, um Stöße auf die Einrichtung 7. wenn es sich um einen Brenner handelt, zu vermeiden.

Es ist vorteilhaft, im Block 2 die Querschnitte der Wasserstoffzirkulationskammern zu vermindern, ohne das starke Druckverluste auftreten. Um jedes Ungleichgewicht in der Speisung der verschiedenen Kammern /u vermeiden, bevorzugt man. Wasserstoff in die oberhalb jeder Kammer angeordneten Kapillarrohre, beispielsweise in einen Verteiler 2'. einzuleiten. Diese Kapillarrohre miissen den Durchgang von Brennstoff sicherstellen, ohne daß sie durch einen Flüssigkeilstropfen verstopft werden konnten. Es ist besonders angczigt. diesen Verteiler /u benutzen, wenn die Wasscrstofelektroden sehr dünn sind und keine starken Drücke aushalten mussen.

Der vorher beschriebene Thermosiphon kann nur dann arbeiten, wenn der Kreis für die das Kohlensäuregas absorbierende Reinigerflüssigkeit dicht ist. Man verwendet hierzu ein Bündel von Rohren oder Platten aus einem porösen hydrophoben Material wie beispielsweise porös-gemachten Teflon, wodurch die Flüssigkeit zurückgehalten wird, es jedoch möglich wird, daß CO? zur Flüssigkeit gelangt. Die porenaufweisenden Wände haben eine Dicke von etwa 0,1 mm und der Innendurchmesser der Rohre beträgt das 100 bis 200fache dieser Dicke.

Wenn die zur thermischen Regelung des Blockes notwendige Wärmeabfuhr einen erheblichen Luftstrom erfordert, so vermeidet man eine zu starke Kohlensäurcsiittigiing bzw. <";irbonatation des Reinigers, indem man parallel zu den Rohren oder porösen hydrophoben Platten /' (F ι g. 2) andere volle Rohre oder Platten /'. anordnet, deren Rolle lediglich darin /u sehen ist. die Wärmeaustauscherfläche zu vergrößern. Unter diesen Bedingungen ist es notwendig, daß die gereinigte zum /ellenhlock 2 geführte Luft (Leitung I I.fjgetrennt wird von der nicht gereinigten Luft (Abführleitung I \h).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche;

1. Brennstoffbatterie mit einem Zeljenblock, Leitungen zum Speisen dieses Zellenblocks mit Brennstoff und Sauerstoffträger wie Luft und einer Vorrichtung zur teilweisen Rückführung des Brennstoffs, wobei die Sauerstoffträgerspeiseleitung eine mit Reinigungsflüssigkeit für den Sauerstoffträger gespeiste Reinigungseinrichtung aufweist und der Elektrolyt sowie die Reinigungsflüssigkeit in zwei geschlossenen Kreisen zirkulieren, dadurch gekennzeichnet, daß eine statische Saugeinrichtung zur Zwangsbewegung des Sauerstoffträgers durch den Zellenblock vorgesehen ist und die Reinigungseinrichtung (1) sowie der Zellenblock (2) im wesentlichen auf dem gleichen Niveau zu beiden Seiten eines Wärmeaustauschers (3) angeordnet sind, dem diese Elektrolyt- und Reinigungsflüssigkeitskreise zugeordnet sind und der im Gegenstrom bei Betrieb der Zelle einerseits vom heißen aus dem Zellenblock (2) austretenden Elektrolyt (13) und andererseits von der Reinigungsflüssigkeit (12) für den in der Reinigungsvorrichtung (1) gekühlten Sauerstoffträger durchsetzt wird, wobei der Wärmeaustauscher (3) gleichzeitig durch Thermosiphoneffekt die Zirkulatiomder Reinigungsflüssigkeit durch die Reinigungseinrichtung (1) und die des Elektrolyten durch den Zellenblock (2) hervorruft

2. Brennstoffbatterie nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die statische Saugeinrichtung (7) ein mit dem Brennstoffableitgas beheizter Brenner mit einem Kamin und einem Zugbeschleuniger ist.

3. Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Saugeinrichtung (7) ein durch den Brennstoffableitstrom betätigtes Venturirohr ist.

4. Brennstoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungseinrichtung (1) zwei getrennte Kammern, eine zum Reinigen des Sauerstoffträgers zur Speisung der Brennstoffbatterie, die andere zum Intensivieren der Kühlung der Reinigungsflüssigkeit durch Zufuhr zusätzlicher zum Speisen der Brennstoffbatterie nicht benötigter Luft umfaßt.

5. Brennstoffbatterie nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch hydrophobe Rohre oder Platten (Pi)' für die Reinigungskammer des Sauerstoffträgers; und durch Rohre oder volle Platten (P 2) für die zweite Kammer, die allein der Kühlung der Reinigungsflüssigkeit dient.

6. Brennstoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungsflüssigkeit für die Sauerstoffträgerluft regenerierbar ist und daß der Regenerator aus Mono- oder Diäthanolamin besteht.

7. Brennstoffbatterie nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator eine geschlossene Kammer (20) und einen an die Klemmen der Brennstoffzelle gelegten Heizwiderstand (21) umfaßt.

8. Brennstoffbatterie nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator eine durch einen Flammenbrenner oder katalytischen Brenner beheizte Kammer umfaßt, die durch den Brennstoff der Brennstoffbatterie gespeist ist.

9. Brennstoffbatterie nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungseinrichtung ein Bündel aus Rohren oder Platten aus einem porösen hydrophoben Material wie Teflon umfaßt, welches die Reinigungsflüssigkeit zurückhält, das COa der Luft zur Flüssigkeit hin jedoch passieren läßt.