DE2326070C3 - Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid aus zum Betrieb von elektrochemischen Zellen dienender Luft - Google Patents
Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid aus zum Betrieb von elektrochemischen Zellen dienender LuftInfo
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Description
25
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid aus zum Betrieb von elektrochemischen
Zellen, insbesondere Metall/Luft-BaUerien,
dienender Luft mit porösen, gesinterten Absorptionskörpern aus Kunststoff.
Zum Betrieb von Kraftfahrzeugen bietet sich zur Vermeidung schädlicher und giftiger Abgase der
elektrische Antrieb in Verbindung mit einer elektrochemischen Stromquelle an, wobei für derartige Elektrofahrzeuge
insbesondere Metall/Luft-Batterien in Betracht kommen. Da derartige Batterien mit einem
alkalischen Elektrolyten betrieben werden, ist es erforderlich, aus der verwendeten Luft, bevor sie den
Luftelektroden zugeführt wird, das Kohlendioxid zu entfernen, weil sonst eine Carbonatisierung der
Elektrolytflüssigkeit erfolgen würde. Dies wiederum würde eine Beeinträchtigung bzw. Zerstörung der
Metall- und Luftelektroden nach sich ziehen. Dieselben Probleme treten auch bei anderen mit Luft betriebenen
elektrochemischen Zellen auf, beispielsweise bei Brennstoffelementen.
Die Entfernung des Kohlenstoffdioxides aus der Luft kann beispielsweise durch Auswaschen mit Lauge in mit
Raschig-Ringen gefüllten Behältern erfolgen. Zur Ausscheidung kleiner CC>2-Mengen werden auch GeI-Adsorber
benutzt. Bei diesen Methoden ergibt sich aber der Nachteil, daß die Luft unter einem größeren
Überdruck stehen muß, weil bei der Reinigung ein relativ hoher Druckverlust auftritt. Die erforderliche
Druckerhöhung wiederum macht aber einen gewissen Energieaufwand erforderlich. Dies würde sich gerade
aber auf dem Gebiet der Elektrotraktion nachteilig bemerkbar machen, da hierbei die zur Druckerhöhung
der Luft erforderliche Energie der elektrochemischen Stromquelle entnommen werden müßte und damit dem
eigentlichen Verwendungszweck, nämlich für den elektrischen Antrieb, verloren ginge.
Aus der DE-OS 21 14 920 ist ein Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxid aus einem Gasgemisch
mit Hilfe einer Waschflüssigkeit bekannt, bei dem das Gasgemisch durch einen biporösen Körper, der
beispielsweise aus gesintertem Kunststoffpulver besteht, geleitet wird. Wesentlich bei diesem Verfahren ist,
daß sich das zu reinigende Gas und die Waschflüssigkeit gegeneinander bewegen und daß diese beiden Komponenten,
d. h. sowohl das Gas als auch die Flüssigkeit, duren den (Wasch-)Körper hindurchgeleitet werden.
Um den Durchtritt von Gas und Flüssigkeit durch den Waschkörper zu ermöglichen, müssen dabei deshalb
auch ganz bestimmte Druckbedingungen eingehalten werden. Dies bedeutet aber, daß das Gas einen relativ
hohen Druck aufweisen muß, weil beim Durchtritt durch den mit Flüssigkeit angefüllten Waschkörper ein relativ
großer Druckverlust erfolgt.
Aus der DE-OS 14 19 680 ist ein Wärme- und Stoffaustauschelement für Zweikomponentensysteme
aus Flüssigkeiten und Gasen bekannt, das aus dünnwandigem, walzbarem Material gefertigt, in orientierter
Lage zu Baueinheiten zusammengefaßt und lagenweise aus ebenen und gewellten Bahnen aufgebaut
ist und aus perforiertem Kunststoff besteht. Auch hierbei sind beide Komponenten mobil, d. h. sowohl das
Gas als auch die Flüssigkeit durchströmen das Austauschelement. Darüber hinaus erfolgt bei dieser
Vorrichtung der Gasdurchtritt durch das Austauschelement in Kanälen, die von den Wellen gebildet und
begrenzt werden, d. h. das Gas durchströmt das Austauschelement längs bzw. in Richtung der Wellen.
Der Stoffübergang zwischen Gas und Flüssigkeit ist hierbei aber nicht sehr groß.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine — poröse, gesinterte Absorptionskörper aus Kunststoff aufweisende
— Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Entfernung von Kohlendioxid aus Luft derart auszugestalten,
daß zu ihrem Betrieb nur eine geringfügige Druckerhöhung der Luft und deshalb nur ein geringer
Energieaufwand erforderlich ist, gleichzeitig aber ein guter Stoffübergang gewährleistet ist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Absorptionskörper aus gewellten Platten aus Polyvinylchlorid
bestehen und mit einer Absorptionsflüssigkeit für Kohlendioxid getränkt sind und daß die
gewellten Absorptionskörper mit Abstand voneinander und paraüel zueinander derart angeordnet sind, daß die
Luft an der Oberfläche der Absorptionskörper mit geringfügig erhöhtem Druck senkrecht zu den Wellen
vorbeigeführt werden kann.
Vorteilhaft kann beim Betrieb der erfir.dungsgemäßen
Vorrichtung Luft mit einem Überdruck von etwa 10 5 bis 10-3 bar bzw. etwa 1 bis 100 N/m2 verwendet
werden; vorzugsweise wird Luft mit einem Überdruck von etwa 104 bar bzw. etwa 10 N/m2 verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur CXVEntfernung aus der Luft erfordert im Vergleich zu bekannten
Vorrichtungen zur Luftreinigung, welche durch Druckerhöhung (Naßwäsche) oder Temperaturerniedrigung
(Luftverflüssigung) einen relativ großen Energiebedarf haben, nur einen geringen Energieaufwand. Zur
Absorption des Kohlendioxids reicht es im allgemeinen aus, wenn die Luft einen Überdruck von ca. 10 4 uar
bzw. ca. 10 N/m2 aufweist. Es genügt deshalb, anstelle des sonst üblichen Kompressors einen Ventilator zu
verwenden. Hierbei ergibt sich der weitere Vorteil eines sehr geräuscharmen Betriebes.
Als Absorptionsflüssigkeit kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft Kalilauge verwendet
werden, insbesondere etwa 10 molare Kalilauge (10 m KOH). Kalilauge der angegebenen Konzentration
zeigt ein Optimum bezüglich der Absorptionswirkung in
Verbindung mit der Absorptionsdauer.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist Absorptionskörper
aus porösen, gesinterten Platten aus Polyvinylchlroid (PVC) auf, welche mit Abstand
voneinander angeordnet sind. Absorptionskörper aus PVC haben nämlich den Vorteil, daß sie eine hohe
Aufnahmefähigkeit für die Absorptionsflüssigkeit, insbesondere Kalilauge, aufweisen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen den weiteren
Vorteil auf, daß die Gefahr des Verstopfens, die beispielsweise bei der Naßwäsche infolge der Carbonatbildung
besteht, nicht gegeben ist. Darüber hinaus ist diese Vorrichtung auch dann funktionsfähig, wenn die
Absorptionsflüssigkeit eintrocknet, was insbesondere dann der Fall sein Kann, wenn die Luft einen geringen
Feuchtigkeitsgehalt aufweist.
Vorteilhaft beträgt die Volumenporosität der Absorplionskörper
mehr als 30%. Die Porengröße selbst liegt in einem Bereich der durch folgende Btdingungen
festgelegt ist. Die Poren sollen nur so groß sein, daß die Absorptionsflüssigkeit in den porösen Körpern gut
haftet, und sie sollen nur so klein sein, daß die Diffusionsvorgänge in der Absorptionsflüssigkeit nicht
beeinträchtigt werden.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die porösen PVC-Platten gewellt und parallel zueinander
angeordnet, wobei dann auch die Wellen parallel zueinander verlaufen, d. h. die Wellentäler und Wellenberge
sind jeweils übereinander angeordnet. Die Luft wird dabei senkrecht zu den Wellen durch die zwischen
den Platten befindlichen Zwischenräume geleitet.
Dadurch ergibt sich eine größere Oberfläche, ein längerer Reaktionsweg und ein verbesserter Stoffübergang
zwischen der Luft und der Absorptionsflüssigkeit. Die gewellten Platten sind vorzugsweise in einem der
Plattenstärke entsprechenden Abstand voneinander angeordnet. Bei einer Plattenstärke von etwa 0,5 mm
ergibt sich dabei eine sehr kompakte, kleine Baueinheit.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur, weiche eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zeigt, soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
In der in der Figur dargestellten Ausführungsform der
Vorrichtung, welche übersichtlichkeitshalber teilweise aufgebrochen ist, sind in einem Gehäuse 10 übereinander
mehrere poröse, gewellte PVC-Platten 11 angeordnet.
Die Platten sind in geeigneter Weise in gegenseitigem Abstand angeordnet, beispielsweise mittels Halterungen,
so daß zwischen ihnen Räume 12 zum Luftdurchtritt verbleiben. Das Gehäuse ist an seiner
Vorder- und Rückseite zur Luftzuführung bzw. -abführung geöffnet
Durch Sintern von PVC-Pulver mit einer Korngröße von etwa 25 bis 50 μίτι bei einer Temperatur von etwa
130 bis 1700C und einem Druck von etwa 0,2 bis 1 N/mm2 werden beispielsweise gewellte PVC-Platten
mit einer Länge von 147 mm, einer Breite von 135 mm und einer Plattenstärke von 0,5 mm hergestellt; die
Wellenhöhe beträgt etwa 2 mm. Anschließend werden die Platten, welche eine Volumenporosität von ca. 32%
aufweisen, im Vakuum mit der Absorptionsflüssigkeit, beispielsweise 10 m KOH, getränkt Die fertigen Platten
mit deinem Gehalt von ca. 0,8 g KOH/g werden dann in ein Gehäuse mit einer Länge von 300 mm, einer Breite
von 135 mm und einer Höhe von 65 mm in der Weise eingebaut, daß jeweils zwei Platten hintereinander und
eine Vielzahl derartiger Plattenpaare übereinander liegen.
Eine derartige Ausführungsform eignet sich beispielsweise zur Verwendung bei einem Elektromofa, d. h.
einem elektrisch angetriebenen Motorfahrrad. Bei einer Leistung von 400 W werden der das Elektromofa
antreibenden Metall/Luft-Batterie, insbesondere einer Eisen/Luft-Batterie (vgl.: »Siemens Forschungs- und
Entwicklungsberichte« Bd. 1, Nr. 2/72, Seite 221 bis 226, sowie »Chemie-Ingenieur-Technik«, 45. Jahrg., 1973,
Heft 4, Seiten 203 bis 206), pro Stunde ca. 15001 Luft (3,5facher Oberschuß) zugeführt. Dies entspricht einem
Luftdurchatz von 17 l/cm2 · h, bezogen auf die Querschnittsfläche der Absorptionsvorrichtung. Bei diesem
Luftdurchsatz liegt der Druckabfall unter 1 mm WS (10-4bar).
bar).
bar).
Untersuchungen haben gezeigt, daß bei einem Luftdurchtritt von ca. 17 l/cm2 · h und einer Temperatur
von 00C nach einem Dauerbetrieb von 100 Stunden die CO2-Absorption noch über 90% liegt. Nach dieser Zeit
war die Lauge zu etwa 70% verbraucht. Bei Raumtemperatur durchgeführte Versuche ergaben
noch bessere Ergebnisse.
Bei einer angestrebten Fahrgeschwindigkeit für ein Elektromofa von 25 km/h würde sich demnach ein
wartungsfreier Betrieb über wenigstens 2500 km ergeben. Nach dieser Fahrstrecke können die Absorptionskörper mit Wasser ausgespült, getrocknet und erneut
mit Absorptionsflüssigkeit getränkt werden. Es hat sich gezeigt, daß auch bei mehrmaliger Wiederholung einer
derartigen Regenerierung keine Verminderung der Funktionsfähigkeit eintritt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid aus zum Betrieb von elektrochemischen Zellen,
insbesondere Metall/Luft-Batterien, dienender Luft mit porösen, gesinterten Absorptionskörpern aus
Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionskörper aus gewellten Platten aus
Polyvinylchlorid bestehen und mit einer Absorptionsflüssigkeit für Kohlendioxid getränkt sind und
daß die gewellten Absorptionskörper mit Abstand voneinander und parallel zueinander derart angeordnet
sind, daß die Luft an der Oberfläche der Absorptionskörper mit geringfügig erhöhtem Druck
senkrecht zu den Wellen vorbeigeführt werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Volumenporosität der Absorptionskörper über 30% liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionskörper in
einem der Plattenstärke entsprechenden Abstand voneinander angeordnet sind.
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