DE2610427A1 - Wasserabtrennungszelle zur entfernung des reaktionswassers aus dem elektrolyten von brennstoffelementen und brennstoffbatterien - Google Patents
Wasserabtrennungszelle zur entfernung des reaktionswassers aus dem elektrolyten von brennstoffelementen und brennstoffbatterienInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT *> Unser Zeichen
Berlin und München VPA 76 P 7507 BRD
Wasserabtrennungszelle zur Entfernung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffelementen und Brennstoffbatterien
Die Erfindung betrifft eine Wasserabtrennungszelle zur Entfernung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffelementen
und Brennstoffbatterien mit einem wenigstens auf einer Seite
durch ein poröses Diaphragma begrenzten Flüssigkeitsraum und einem durch das Diaphragma und eine kühlbare Kondensationsfläche
begrenzten Gasraum.
Zur Abtrennung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffelementen oder Brennstoffbatterien ist bereits ein
Verfahren bekannt, bei welchem der im Kreislauf geführte Elektrolyt
durch eine Wasserabtrennungszelle geleitet und dort mit einer Seite eines Diaphragmas in Kontakt gebracht wird und der durch
das Diaphragma in einen diesem benachbarten Gasraum transportierte Wasserdampf kondensiert wird. Der hydrostatische Druck des
Elektrolyten im porösen Diaphragma wird dabei entweder durch den Druck eines im Gasraum vorhandenen Gases oder durch den im
Diaphragma herrschenden Kapillardepressionsdruck kompensiert und der Wasserdampf wird an einer kühlbaren Kondensationsfläche kondensiert,
die eine dem Diaphragma gegenüberliegende Begrenzungsfläche des Gasraumes bildet. Eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens weist eine Wasserabtrennungszelle auf, die in einem Elektrolytkreislauf außerhalb der Brennstoffbatterie angeordnet
ist und einen von der Elektrolytflüssigkeit durchströmten Flüssigkeitsraum enthält. Der Flüssigkeitsraum wird wenigstens
teilweise durch das Diaphragma begrenzt, das die eine Wand des Gasraumes, der auf der anderen Seite von der Kondensationsfläche
begrenzt wird, bildet (DT-PS 16 71 879).
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Die Reaktionswasserabtrennung nach diesem Diffusions-Kondensations-Prinzip
hat sich im praktischen Einsatz gut bewährt. Dabei ist die Wasserabtrennungszelle bzw. der von einer nicht porösen
Kondensationsfläche begrenzte Gasraum im allgemeinen mit einer Schleuse zur selbsttätigen kontinuierlichen Ausbringung des
Kondenswasser, d.h. des kondensierten Reaktionswassers, verbunden.
In dieser Schleuse ist eine poröse Scheibe angeordnet, durch die das abgeschiedene Reaktionswasser austritt (DT-PS
12 73 644).
Zum Transport des Kondensats vom Gasraum der Wasserabtrennungszelle
zur Schleuse wird ein unter Druck stehendes Hilfsgas benutzt, meistens Wasserstoff, der dem Brennstoffelement bzw. der
Brennstoffbatterie entnommen wird. Dieses Hilfsgas tritt im Anschluß an die Schleuse in die Umgebung aus, was einen nicht
unbeträchtlichen Gasverbrauch bedeutet. Darüber hinaus müssen bei der Verwendung von Wasserstoff als Hilfsgas Maßnahmen getroffen
werden, um die Entstehung explosibler Wasserstoff/Luft-Gemische
zu verhindern.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Wasserabtrennungszelle der eingangs genannten Art mit einem Flüssigkeitsraum und einem
davon durch ein poröses Diaphragma getrennten Gasraum die Nachteile und Gefahren, die mit der Ableitung des Hilfsgases an die
Umgebung verbunden sind, zu vermeiden und einen wirtschaftlichen Kondensattransport sicherzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Flüssigkeitsraum in zwei übereinanderliegende Kammern unterschiedlicher Größe
unterteilt ist, von denen die obere, größere Kammer als Elektrolytraum dient und die untere, kleinere Kammer das Kondensat
aufnimmt, das aufgrund des Druckes eines im Gasraum vorhandenen Gases durch das poröse Diaphragma in diese Kammer übertritt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung treten im Zusammenhang mit dem Kondensattransport keinerlei Gasverluste mehr auf und es
entfallen auch die Risiken, die sich bei einem Austreten von
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Wasserstoff in die Atmosphäre ergeben. Diese Vorrichtung bietet ferner den Vorteil, daß auf die üblichen separaten Schleusen zur
Kondensatausbringung verzichtet werden kann, weil die entsprechenden
Vorrichtungen in die ohnehin vorhandenen Flüssigkeitsräume für den Elektrolyten integriert sind. Bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung hat somit jeder Gas- bzw. Kondensationsraum seine eigene Kondenswasserentfernung: Das Kondensat, d.h. das
kondensierte Reaktionswasser, wird zunächst in die zugehörige Kammer transportiert und dann aus diesen Kammern über eine gemeinsame
Sammelleitung ausgebracht.
Im Vergleich zu der aus der DT-OS 21 28 537 bekannten Vorrichtung,
bei der zum Transport des Kondensats eine in einer Gasversorgungsleitung der Brennstoffbatterie angeordnete Strahlpumpe dient, die
eine Druckdifferenz zwischen Gasraum und Schleuse erzeugt, und bei der das mit dem Kondensat vom Gasraum zur Schleuse mitströmende
Hilfsgas in die Strahlpumpe zurückgeführt wird, bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere den Vorteil eines einfachen
Aufbaus und - damit verbunden - eines geringeren Material- und Arbeitsaufwandes. Es entfallen nämlich die Schleuse und die
Strahlpumpe mit den zugehörigen Leitungen sowie auch die dabei erforderlichen Ventile zum Einstellen des Hilfsgasstromes.
Vorteilhaft beträgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Fläche des die Kammer für das Kondensat begrenzenden Teils des
Diaphragmas etwa 5 bis 20 %, vorzugsweise ca. 10 %, der Fläche
des den Elektrolytraum begrenzenden Teils des Diaphragmas. Auf diese Weise ist mit Sicherheit gewährleistet, daß genügend
Reaktionswasser aus der Elektrolytflüssigkeit verdampfen kann, und auch sichergestellt, daß das im Gasraum sich bildende Kondensat
vollständig in die dafür vorgesehene Kammer, nicht aber zurück in die Elektrolytflüssigkeit transportiert wird. Im Vergleich
zur bekannten Wasserabtrennungszelle mit separater Schleuse muß darüber hinaus die zur Verdampfung verfügbare
Diaphragmenfläche nur unwesentlich verringert werden, weil nämlich bei dieser Vorrichtung ohnehin ein Teil des Diaphragmas
nicht zur Verdampfung verwendet werden kann, um einen Rücktrans-
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port des Kondensats in den Flüssigkeitsraum auszuschließen.
Bei der erfindungsgemäßen Wasserabtrennungszelle ist der Flüssigkeitsraum
vorteilhaft nach außen durch einen Rahmen begrenzt und
der Elektrolytraum von der Kammer für das. Kondensat durch einen
Steg abgetrennt, der Bestandteil dieses Rahmens ist. Auf diese
Weise sind die Kammern für das Kondensat vollständig in die sogenannten Elektrolytrahmen integriert und erfordern demnach zu
ihrer Ausbildung keine zusätzlichen Bauteile. Die Elektrolytrahmen bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, wie z.B. Polysulfon,
und können im Spritzguß hergestellt werden. Der Steg zwischen den beiden Kammern, der auch in geeigneter Weise am Elektrolytrahmen
befestigt sein kann, ist vorteilhaft in Richtung auf die untere Kammer, d.h. die Kammer für das Kondensat, hin gekrümmt. Auf
. diese Weise ergibt sich eine verhältnismäßig große Lageunabhängigkeit
der erfxndungsgemäßen Wasserabtrennungszelle.
Anhand von zwei Figuren, in denen vorteilhafte Ausführungsformen
.der erfindungsgemäßen Wasserabtrennungszelle dargestellt sind,
soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist die Wasserabtrennungszelle
10 zwei poröse Diaphragmen 11 auf. Diese Diaphragmen, die aus Asbest bestehen, schließen den Flüssigkeitsraum
12 ein. Der Flüssigkeitsraum 12 ist durch einen Steg 13 in
„einen Elektrolytraum ,14.und eine Kammer 15 für das Kondenswasser
,unterteilt. Der Steg 13 ist Bestandteil des Rahmens 16, der als
Elektrolytrahmen bezeichnet wird und zur Halterung der Diaphragmen 11 dient. Zu diesem Zweck sind die Diaphragmen - wie in
30_ Fig. 1 dargestellt - mit einem. Teil des Rahmens verklebt. Am
Steg 13 sind - wie ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich r die Diaphragmen
11 in einer entsprechenden Weise befestigt wie am
Rahmen 16; der Steg 13 weist dazu seitliche Vorsprünge auf. Diese Vorsprünge können jedoch auch entfallen (vgl. Fig. 2),
wobei die Diaphragmen dann auf der gesamten Stegbreite aufliegen;
und mit dem Steg verklebt werden. In diesem Fall ist es dann vorteilhaft,
zur vollständigen Treniiung von Elektrolytraum 14 und
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ORiSIMAL INSPECTED
Kammer 15; die- Diaphragmen ;φ1; im- Bereich« des;, Skege^s Jl3--■ zu*,j.,rr.,,
hydrophobieren, um ein .übertreten von Flüssigkeit-,zu. verhindern.
Zwischen den Diaphragmen 11 und,- den m;it'-;^b8ft^m^,>^y;^.ejajag^r:(lneten
Kondensationsflächen 17 befindet sich jeweils ein Gasraum 1S; die Kondensationsflachen b#jitehen-:.-beispi-elfwe4«gv;^us4=-j6g^s^bf)ff'
oder Metalle Auf der Rückseite derKond^nsatio^^Mchen.^^.die
in Rahmen 19 angeordnet sind,-..-sind Kühlräume 2Q .zurj A^nahpe des
Kühlmediums, insbesondere Wasser^ varhandenj al^ KühlmedijUm Jcann
beispielsweise aber auch Luft dienen. Das- aus der durpli den,- ----Elektrolytraum
12. strömenden i;iek^rj3lytf^ssig*ei^:dur^,4ife?
Diaphragmen 11 verdampfende jWasser; wird; an den Kühljflachen? 17
kondensiert und sammelt sich - wie; in Fig.. 1 ^argestellt/r-^-^
Boden, d.h. im unteren Teil der Gasräume 18. Aufgrund-desjD.ruckes
des darin vorhandenen Gases, insbesondere Wasserstoff, wird das Kondensat von den Gasräumen 18 durch die Diaphragmeny14 jAm die
Kammer 15 für das Kondenswasser transportiert; das Gas,,im-Gasraum
kann auch Luft, Sauerstoff oder Stickstoff sein. Von der Kammer gelangt das Kondensat in eine Sammelleitung und wird dann nach
außen abgeführt.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wasserabtrennungszelle dargestellt, die eine große Lageunabhängigkeit besitzt. Der Elektrolytrahmen 21, der zur
Aufnahme des Diaphragmas dient, weist einen Steg 22 auf, der vom Elektrolytraum 23 aus in Richtung auf die Kammer 24 für das
Kondenswasser hin gekrümmt ist. Einen entsprechenden Verlauf nehmen dann natürlich auch die beiden Teile des Diaphragmas, die
den Elektrolytraum 23 bzw. die Kammer 24 für das Kondenswasser begrenzen. Die Ausführungsform nach Fig. 2, bei der der Steg 22
auf relativ hohem Niveau in den Rahmen 21 mündet, hat folgenden Vorteil: Wenn die Wasserabtrennungszelle seitlich geneigt wird,
dann besteht hierbei kaum die Gefahr, daß das Kondensat im Gasraum am Rahmen 21 so hoch steigt, daß es den Bereich oberhalb des
Steges 22 erreicht und somit durch das Diaphragma in den Elektrolytraum übertreten könnte. Der Kondensatspiegel im Gasraum wird
sich vielmehr immer im Bereich unterhalb des Steges befinden und
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somit im Bereich des Teils des Diaphragmas liegen, der die Kammer
für das Kondenswasser begrenzt. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Wirksamkeit der Wasserabtrennungszelle durch
eine seitliche Neigung nicht beeinträchtigt wird.
Bei einer Anordnung des Steges, wie sie in Fig. 2 durch die
strichpunktierte Linie angedeutet ist, d.h. beim Vorhandensein eines nicht gekrümmten Steges 22a, könnte dagegen eher die Gefahr
bestehen, daß das Kondensat bei einer Schräglage der Wasserabtrennungszelle vom Gasraum in den Elektrolytraum Übertritt, weil
hierbei das Kondensat im Gasraum viel früher den Steg erreicht, d.h. die Grenze zwischen dem Teil des Diaphragmas im Bereich der
Kammer für das Kondenswasser und dem Teil im Bereich des Elektrolytraumes.
4 Patentansprüche
2 Figuren
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e e rs e ι te
Claims (4)
- Patentansprüche.Λ J Wasserabtrennungszelle zur Entfernung des Reaktionswassers aus dem Elektrolyten von Brennstoffelementen und Brennstoffbatterien mit einem wenigstens auf einer Seite durch ein poröses Diaphragma begrenzten Flüssigkeitsraum und einem durch das Diaphragma und eine kühlbare Kondensationsfläche begrenzten Gasraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsraum (12) in zwei übereinanderliegende Kammern unterschiedlicher Größe unterteilt ist, von denen die obere, größere Kammer als Elektrolytraum (14) dient und die untere, kleinere Kammer (15) das Kondensat aufnimmt, das aufgrund des Druckes eines im Gasraum (18) vorhandenen Gases durch das poröse Diaphragma (11) in diese Kammer (15) übertritt.
- 2. Wasserabtrennungszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des die Kammer (15) für das Kondensat begrenzenden Teils des Diaphragmas (11) etwa 5 bis 20 %, vorzugsweise ca. 10 %t der Fläche des den Elektrolytraum (14) begrenzenden Teils beträgt.
- 3. Wasserabtrennungszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsraum (12) nach außen durch einen Rahmen (16), insbesondere einen Kunststoffrahmen, begrenzt und der Elektrolytraum (14) von der Kammer (15) für das Kondensat durch einen Steg (13) abgetrennt ist, der Bestandteil dieses Rahmens (16) ist.
- 4. Wasserabtrennungszelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (22) in Richtung auf die Kammer (24) für das Kondensat hin gekrümmt ist.ORIGINAL INSPECTED709837/0449VPA 9/720/3058
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