DE2357631A1

DE2357631A1 - Katalytischer oxidationsreaktor fuer wasserstoff oder andere brennbare gase in einem sauerstoff enthaltenden gasgemisch

Info

Publication number: DE2357631A1
Application number: DE2357631A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Laig-Hoerstebrock; August Prof Dipl Phys D Winsel
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1973-11-19
Filing date: 1973-11-19
Publication date: 1975-05-28
Also published as: JPS5080444A; FR2251923A1; SE7414457L; IT1025291B; AT338353B; GB1483486A; US3976510A; BR7409473A; FR2251923B1; ATA698374A; ES430732A1

Description

Reg.-Nr. 6FP 235-DT 6233 Kelkheim, den 16..11.1973

EAP-Ksr/Mar

VARTA Batterie Aktiengesellschaft 3000 Hannover, Stöckener Str. 351

Katalytischer Oxidationsreaktor für Wasserstoff oder andere brennbare Gase in einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch

Gegenstand der Erfindung ist ein katalytischer Oxidationsreaktor für Wasserstoff oder andere brennbare Gase in einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch, insbesondere für die Oxidation des in galvanischen Sekundärelementen entstehenden Wasserstoffs.

In Bleiakkumulatoren wird durch Selbstentladung sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand Wasserstoff entwickelt und bei der Aufladung entstehen Wasserstoff und Sauerstoff aufgrund der hohen Ladespannung der Akkumulatoren, die oberhalb der Zersetzungsspannung des Wassers liegt. Diese Elektrolyseverluste sind ein wesentlicher Grund dafür, daß solche Akkumulatoren in regelmäßigen Abständen gewartet werden müssen.

Insbesondere, um die Wartungsintervalle zu vergrößern, werden mehrzellige Akkumulatoren mit zentralen Wassernachfüllsystemen versehen, um ein zentrales Nachfüllen sämtlicher Zellen mit destilliertem Wasser zu ermöglichen und den bei Ladung und Entladung durch Elektrolyse entstehenden Wasserverlust auszuglei-* chen.

Um den Wasserhaushalt einer Bleiakkumulatorenbatterie zu regeln, wurde schon vorgeschlagen, die bei Ladung/Entladung oder beim Stehen im unbelasteten Zustand entstehenden Gase mit Hilfe von sogenannten Katalysatorstopfen zu rekombinieren. Das Reaktionswasser kondensiert und läuft in den Elektrolyten zurück. Solche

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Anordnungen sind jedoch sehr aufwendig, da jede Zelle einen Katalysatorstopfen erfordert. Darüber hinaus sind sie unzuverlässig, da die' Ausfallwahrscheinlichkeit eines einzelnen Stopfens sich in der Vielzahl stark vergrößert und schon der Ausfall eines 'Stopf ens zu erheblichen Runktionsstörungen führt.

Weiterhin ist eine solche Anordnung insbesondere bei Fahrzeugbätterien wegen der Anbringung der Katalysatorstopfen oberhalb der Batterie aus Raumgründen oft nicht möglich.

Ausgehend von diesen einzelnen Katalysatorstopfen ist es weiterhin bekannt, beispielsweise einer Starterbatterie eine zentrale Wassernachfüllanordnung, welche kombiniert ist mit einem zentralen Rekombinationsreaktor, zuzuordnen (DT-Gbm 7 133 811). Auch eine solche Anordnung führt jedoch, insbesondere bei Anwendung in Batterien für batteriebetriebene Fahrzeuge, zu erheblichen Schwierigkeiten, da der Rekombinationsreaktor einerseits aufgrund der großen Menge von entstehenden Gasen eine bestimmte Größe nicht unterschreiten darf und da andererseits der Raum im Fahrzeug stark begrenzt ist. Ein weiteres wesentliches Problem ist dabei die Abführung der bei der Rekombination entstehenden Wärme. Bei einer Batterie von beispielsweise 144 V/50 Ah wird durch Rekombination der bei der Volladung entstehenden Gasmengen eine Wärmeleistung von ca. 3 KW erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Rekombinationsreaktor konstruktiv so zu gestalten, daß er möglichst wenig Raum einnimmt und gleichzeitig ein Kühlverfahren für den Rekombinationsreaktor zu entwickeln, welches ebenfalls dazu beiträgt, daß möglichst wenig Raum für den Reaktor, sowie für die Kühlanlage benötigt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Oxidationsreaktor mit zwei Kühlmittelkreisläufen versehen ist, von denen einer der Abführung der Reaktionswärme bei Temperaturen von über 100° C und der zweite der Kondensation des Reaktions-

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- 3 wassers "bei Temperaturen von unter 100° C dient.

Die bei der Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff bei niedriger Temperatur (z.B. 200° C) entstehende Wärme setzt sich zusammen aus einem Reaktionswärmeanteil und einem latenten Wärmeanteil im heißen Dampf. Die Wärme im Dampf, im wesentlichen Kondensationswärme, macht ca. 14 % der Gesamtwärme aus.

Die Reaktionswärme als überwiegender Teil der Gesamtwärmemenge wird bei der Temperatur des Katalysators sofort freigesetzt, meist in einem Bereich von ca. 150° C bis 250° C, während die Kondensationswärme bei Temperaturen unter 100° C frei wird.

Die erfindungsgemäße Aufteilung in zwei Kühlkreisläufe erlaubt' es daher, in einem Kühlkreislauf, nämlich dem zur Abführung der Kondensat!onsv/ärme, beispielsweise mit einer Kühlwassertemperatur von "80° C zu arbeiten, während im anderen Kühlkreislauf mit einer wesentlich höheren Temperatur des Kühlmittels gearbeitet werden kann. Dies bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, daß der beispielsweise verwendete Luftkühler raumsparend ausgelegt werden kann, da dieser Luftkühler umso kleiner sein kann, je höher die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlluft und dem Kühlmedium ist. .

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren Ibis 4 näher erläutert.

Grundbaustein des aus mehreren Schichten zusammengesetzten Oxidationsreaktors ist ein aus den Kühlflächen 1, Abstandshaltern 2 und Katalysatorträger 3 aufgebautes Element. Als Katalysatorträger dienen insbesondere Asbestgewebeschichten, welche gegebenenfalls hydrophobiert sind und mit einem Edelmetallkatalysator aus der Platingruppe, vorzugsweise Platin oder Palladium, gegebenenfalls in Kombination mit Silber katalysiert sind. Die Abstandshalter 2 dienen zum einen der Wärmeübertragung von der. Katalysatorschicht zu den Kühlflächen, zum andern erlauben sie

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die Zufuhr des zu rekombinierenden Gasgemisches bei 4 bzw. die Abfuhr des entstandenen Wassers bei 5. Eine Anzahl dieser Grundelemente ist dann gemäß Figur 1 nebeneinander bzw. übereinander so angeordnet, daß zwischen den einzelnen Bauelementen Zwischenräume verbleiben, welche mit dem ersten Kühlkreislauf 6 zur Abführung der Rekombinationswärme und den zweiten Kühlkreislauf 7 zur Abführung der Kondensationswärme in Verbindung stehen. Als Material für die Kühlflächen ist insbesondere Aluminiumblech geeignet. Als Material für die Abstandshalter kann ebenfalls Aluminium, beispielsweise in Form eines 'Streckmetallnetzes oder eines Gitters, benutzt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kühlbleche mit einer Rippung zu versehen, so daß sie gleichzeitig als Abstandshalter dienen können.

Die Katalysatorschicht .selbst kann ebenfalls mehrschichtig aufgebaut sein. Beispielsweise kann es bei Rekombination der im Bleiakkumulator entstehenden Gase zweckmäßig sein, der Katalysatorschicht 3 auf der Seite, auf der das Wasserstoff/Sauerstoff -Gemisch 4 eintritt, eine weitere Asbestschicht 8 zuzuordnen, welche mit einem Antimonwasserstoffkatalysator, insbesondere mit Kupferoxid, versehen ist. Die andere Seite kann mit nicht katalytisch aktiven Asbestschichten 9 bedeckt werden, welche der Einstellung des Wärmewiderstandes dienen und einen Gasdurchtritt ermöglichen.

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Die aus Asbest und beidseitig anliegenden Streckmetallschichten bestehenden Reaktionskörper sind stets beidseitig von Kühlflächen umgeben. Dabei ist es möglich, daß gemäß Figur 1 eine Kühlfläche 1 stets mit dem Hochtemperaturkreislauf 6, die andere Kühlfläche 1 mit dem Niedertemperaturkreislauf 7 verbunden ist. Es ist aber auch möglich, gemäß Figur 3, beide Kühlflächen mit dem Hochtemperaturkreislauf 6 zu verbinden und das Reaktionsprodukt, den Wasserdampf bei 10 getrennt abzuführen und getrennt zu kondensieren. Eine Ausführungsform, bei der die zu rekombinierenden Gase durch den Katalysatorkörper hindurchtreten, ist

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in Figur k dargestellt, wobei ebenfalls die Kühlflächen.1 mit dem Hochtemperaturkreislauf 6 in Verbindung stehen und Wasserdampf 10 getrennt abgeführt wird.

Bei Verbindung eines erfindungsgemäß aufgebauten Reaktionsreaktors mit einer Akkumulatorenbatterie für batteriebetriebene Fahrzeuge besteht das Rohrleitungssystem zur Abführung der in den Akkumulatorenzellen entstehenden Gase_s vorzugsweise aus Kunststoffrohr, beispielsweise aus PVC-Rohren oder Polyäthylenrohren. In diesem Rohrleitungssystem kann gegebenenfalls mit 'Hilfe eines Gasgebläses ein Zwangsumlauf der Gase erzeugt werden, was immer dann zweckmäßig ist, wenn die Ausbildung hoher Konzentrationen an Wasserstoff und Sauerstoff verhindert werden soll. Weiterhin kann zwischen einzelnen Zellengruppen oder Einzelzellen jeweils eine sogenannte Davy-Sperre zur Verhinderung des Durchtritts von Verpuffungsfronten vorgesehen werdend Beispielsweise können dazu Metallnetze angeordnet werden.

Da insbesondere" in Bleiakkumulatoren die Gase Wasserstoff und Sauerstoff nicht immer in stöchiometrischem Verhältnis entstehen, kann es' notwendig sein, der Anordnung Luftsauerstoff zuzuführen. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Rekombinationsreaktor mit einer Startheizung, versehen werden, damit auch bei tiefen Temperaturen die Verbrennungsreaktion schnell gestartet werden kann. Beispielsweise kann dann die Temperatur des Katalysatorträgers gemessen werden und bei zu niedriger Temperatur eine Heizung, beispielsweise eine Widerstandsheizung, erfolgen.

Das bei der Rekombination gebildete und kondensierte Wasser wird über eine Sammelleitung in ein zentrales Nachfüllsystem für die Akkumulatorenbatterie eingeführt, über welches in an sich bekannter Weise der Elektrolytstand in den einzelnen Zellen konstant gehalten werden kann.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

0\y Katalytischer Oxidationsreaktor für Wasserstoff oder andere brennbare Gase in einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch, insbesondere für die Oxidation des in galvanischen Sekundärelementen entstehenden Wasserstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsreaktor mit zv/ei Kühlmittelkreisläufen verbunden ist, von denen einer der Abführung der Reaktionswärme (7) bei Temperaturen von über. 100° C und der zweite der Kondensation des Reaktionsv/assers (6) bei Temperaturen von unter 100° C dient. - ,
2. Katalytischer Oxidationsreaktor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mit einem Katalysator versehenen - Asbestschichten (3) besteht, welche zwischen Metallnetzen (2) zur Verteilung der Wärme angeordnet sind, die ihrerseits mit zwei Kühlflächen (1) in Verbindung stehen.
3· Katalytischer Oxidationsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden begrenzenden Kühlflächen (1) mit dem Hochtemperaturkreislauf (6) verbunden sind.
4. Katalytischer Oxidationsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zuführungsseite des zu rekombinierenden Gases (4) zugewandte Kühlfläche (1) mit dem Hochtemperaturkreislauf (6), die der Reaktionsgasabführung (5) zugewandte Kühlfläche (1) mit dem Tieftemperaturkreislauf (7) verbunden ist.¹
5. Katalytischer Oxidationsreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Asbestgewebe (3) mit einem Edelmetallkatalysator aus der Platingrup-

pe, insbesondere mit Platin oder Palladium, gegebenenfalls in Kombination mit Silber katalysiert ist.
6. Katalytischer Oxidationsreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Asbestschicht (3) auf der Zuführungsseite mit einer weiteren Asbestschicht (8) versehen ist, welche einen Antimonwasserstoffkatalysator, insbesondere Kupferoxid, enthält. '.
7. Katalytischer Oxidationsreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Asbestschicht (3) auf der der Reaktionsgasabführung dienenden Seite mit weiteren porösen Deckschichten, insbesondere mit weiteren Asbestschichten -(9)» versehen ist.
8. Katalytischer Oxidationsreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7_S dadurch gekennzeichnet, daß eine elektri-

. sehe Widerstandsheizung vorgesehen ist.

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