-
Verfahren zur Begrenzung der elektrischen Feldenergie oder von Potentialdif-
-
ferenzen entlang spannungsführenden Gasleitunqen.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung der elektrischen
Feldenergie oder von Potentialdifferenzen entlang spannungsführenden und von zündfähigen
Gasen durchströmten Rohrleitungen, die innen mit einem Elektrolytfilm behaftet sein
können.
-
Beim Zusammenschalten elektrischer Akkumulatoren oder Brennstoffzellen
zu einem größeren Batteieverband sind elektrochemische Wechselwirkungen zwischen
Einzelzellen des Gesamtsystems nicht zu vermeiden, wenn diese aus konstruktiven
Rücksichten über gemeinsame Leitungen sowohl für die Versorgung mit Elektrolyt bzw.
Betriebsgasen bei Brennstoffzellenbatterien als auch für die Entsorgung der Akkumulatorengase
kommunizieren müssen. Beispiele dafür liefern die großen Antriebsbatterien für Elektrostraßenfahrzeuge,
in besonderem Maße jedoch Brennstoff- und Elektrolysezellen, bei denen der Elektrolyt
im Kreislauf geführt wird.
-
Betrachtet man nur eine im Elektrolytkreislauf betriebene Einzelzelle
mit einer negativen Wasserstoff- und einer positiven Sauerstoffelektrode, so verläßt
der Elektrolyt nahe der positiven Elektrode die Zelle durch einen Auslaß und wird
mittels einer Pumpe durch ein Leitungsrohr und einen nahe der negativen Elektrode
befindlichen Einlaß in die Zelle zurückgeführt. Durch diesen Elektrolytleitungszug
wird ein Nebenwiderstand gebildet, an dem sich nur bei Stromfluß eine Spannung aufbaut.
Im Grenzfall ist diese Spannung durch den Kurzschlußstrom bestimmt.
-
Werden mehrere derartige Zellen in Serie geschaltet, so ergeben sich
jeweils Elektrolytstrecken, an denen eine voll Zellenspannung anliegt; an der Gesamtelektrolytstrecke
einer Batterie von n Zellen liegt eine Spannung von n-1 Zellenspannungen an.
-
Eine Folge der Spannungen entlang der Elektrolyt-Rückführungsleitung
ist ein Nebenstrom, durch welchen in dem Kreislauf angeordnete Pumpen, Elektrolyt-
kühler,
Ventile etc. ein Potential aufgeprägt erhalten, bei dem sie korrodieren können.
-
Um die Korrosion zu verhindern, ist in der DE-OS 1 671 968 sowie in
der DE-PS 1696 549 vorgeschlagen worden, in die Elektrolyt-Rückführungsleitung eine
zusätzliche Wasserstoffdiffusionselektrode einzubringen, diese mit der Wasserstoffelektrode
der Brennstoffzelle galvanisch zu verbinden und in dem Leitungsabschnitt zwischen
der zusätzlichen Wasserstoffelektrode und der positiven Zellelektrode für einen
möglichst hohen Elektrolytwiderstand, beispielsweise mittels Labyrinthscheiben,
zu sorgen. Durch diese Maßnahmen wird der gesamte Potentialabfall im Nebenstromkreislauf
praktisch auf den genannten Leitungsabschnitt konzentriert, wobei der lonenstrom,
der von der positiven Zellelektrode ausgeht, bereits in der zusätzlichen Wasserstoffelektrode
endet und von dort als Elektronenstrom zur negativen Zellelektrode fließt. Das wesentliche
Ergebnis ist jedoch ein in dem restlichen Leitungsabschnitt zwischen zusätzlicher
Wasserstoffelektrode und negativer Zellelektrode geschaffener feldfreier Raum, in
welchem nunmehr eine Pumpe oder ein anderes Bauteil ohne Gefährdung durch Korrosion
untergebracht werden kann. Durch Kurzschließen mit der zusätzlichen Wasserstoffelektrode
läßt sich das Bauteil außerdem auf das Potential der negativen Zellelektrode bringen
und damit jedem Korrosionsangriff sicher entziehen.
-
Die vorliegende Erfindung ist mit dem speziellen Problem befaßt, daß
zündfähige Batterie-Abgase durch Rohrleitungen gefahrlos an die Umgebung abgegeben
werden sollen, wobei die Gefahr darin liegt, daß der Bedeckung des Rohrinnern mit
einem dünnen Elektrolytfilm und der dadurch bedingten elektrochemischen Ankopplung
des gasführenden Rohres an die gasliefernden Zellen - ähnlich wie bei der soeben
beschriebenen Elektrolyt-Rückführungsleitung - Potentialdifferenzen über die Rohrlänge
auftreten, welche bei ausreichender Spannung das Restgas zünden. Seine Zusammensetzung
und sein Feuchtigkeitsgehalt sind hierbei ebenfalls von Einfluß. Verständlicherweise
haben solche Vorgänge in geschlossenen Batterieräumen von Unterwasserfahrzeugen
besondere Aktualität.
-
Die bisher bekannten Maßnahmen, um gefährliche Streckenspannungen
zu verhindern, bestanden darin, daß entweder Kunststoffrohre mit definiert kleinem
Oberflächenwiderstand oder Metallrohre, die eine Kurzschlußbrücke darstellen, verwendet
wurden.
-
Durch Unterbrechung des ionenleitenden Elektrolytfilmes aus mannigfaltigen
Gründen oder lokale Überlastungen können starke örtliche Potentialgradienten, also
hohe Feldstärken, entstehen, die sich durch Funkenbildung entladen. Bei Vorhandensein
von Knallgas in der Rohrleitung wird dieses gezündet. Diese Gefahren schließen die
Verwendung von Kunststoffrohren bei Anlagen, die betriebsmäßig wegen elektrochemischer
Verkopplung mit galvanischen Zellen eine Fremdspannung führen, im Grunde aus.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
welches eine Begrenzung von in Längsrichtung der Rohre sich ausbildenden Spannungsdifferenzen
zumindest auf einen bezüglich der Gefahr von Gasexplosionen unkritischen Wert gestattet.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe der im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.
-
Ein Kunststoffrohr, das als Gasabführungsleitung mit einem Ende an
eine Akkumulatoren- oder Brennstoffzellenbatterie angeschlossen und mit dem anderen
Ende geerdet ist, stellt im trockenen Zustand praktisch einen Isolator gegen die
am Batterieblock herrschende Betriebsspannung dar. Es ist von der Batterie weitgehend
abgekoppelt. Füllt sich das Rohr jedoch durch ein ungünstiges Ereignis, z.B. durch
einen Elektrodenbruch, mit Zellelektrolyt, wobei dieser die Innenfläche des Rohres
mit einem zumindest zusammenhängenden Film bedeckt, ist das Rohr an die Batterie
ionen- und elektrischleitend angekoppelt. Der Potentialabfall von der Batterie gegen
Masse, der z.B. bei einer Brennstoffzellenbatterie aus 400 Zellen etwa 300 V beträgt,
erfolgt dann allein über den Elektrolyten. Dabei findet Elektrolyse statt mit der
Folge, daß der Elektrolytfilm hier und dort aufreißt, wobei der bis dahin gleichmäßig
über die Rohrlänge verteilte Spannungsabfall an den Rißstellen
hohe
Feldstärken bildet. Diese verursachen Zündungen des Gasgemisches.
-
Es wurde nun gefunden, daß die Potentialverteilung in einem gasführenden
Kunststoffrohr oder Schlauch von außen beeinflußbar ist, wenn man diese in frei
wählbaren Abständen mittels metallischleitender Verbindungsstücke segmentiert und
die als Elektroden fungierenden Verbindungsstücke über strom-und spannungsbegrenzende
Bauelemente, z.B. außerhalb des Rohres, miteinander verschaltet. Dabei werden Streckenabschnitte
geschaffen, die als Isolationsstücke ausgebildet sind und deren Streckenspannung
über den äußeren Parallelkreis leicht begrenzt werden kann. Der kritische Fall ist
die Bildung des Leitfilmes oder die Füllung des Rohres mit Elektrolyt.
-
Die Erfahrung mit H2/02-Gemischen hat gezeigt, daß Streckenspannungen
von weniger als 30 V unkritisch sind, da sie nicht die zur Zündung notwendigen Feldstärken
aufbringen können. Man muß daher die Isolationsstücke durch zweckmäßige Auswahl
der strom- und spannungsbegrenzenden Bauelemente so dimensionieren, daß Spannungen
> 30 V an den Streckenabschnitten nicht auftreten können. Dazu ist eine niederohmige
Spannungskette nötig, die erfindungsgemäß durch in Serie geschaltete Parallelwiderstände
längs der Rohrwand realisiert werden kann. Dabei müssen die metallischleitenden
Verbindungsstücke einen möglichst geringen Durchtrittswiderstand besitzen, damit
der lonenstrom im Elektrolytfilm ungehindert als Elektronenstrom nach draußen fließen
kann, wodurch das im Rohrinnern "aufgestaute" Potential abgebaut wird. Im ungünstigen
Fall muß hierzu ein relativ großer Strom über entsprechend kleine Widerstände abfließen
können.
-
Erfindungsgemäß wird diese Forderung durch eine Parallelkette aus
ohmschen und/oder spannungsabhängigen Widerständen erfüllt. Mit besonderem Vorteil
lassen sich die spannungsabhängigen Widerstände verwenden, weil sie als quasi aktive
elektronische Bauelemente erst bei Beaufschlagung mit einer bestimmten Mindestspannung
(die jedoch kleiner als die Zündspannung des Gases ist) durchsteuern und voll öffnen.
Sie kommen mit dieser Eigenschaft dem Bestreben entgegen, bei nichtkritischen Betriebsbedingungen
zwecks Vermeidung größerer Verlustströme möglichst hochohmig zu arbeiten. Denn
eine
Streckenspannung soll von Anfang bis Ende möglichst lastfrei bestehen.
-
Unter diesem Aspekt mit großem Vorteil zu verwendende Bauelemente
sind Zenerdioden.
-
Im folgenden sollen anhand der Figuren 1 bis 4 das der Erfindung zugrundeliegende
Problem sowie Möglichkeiten seiner erfindungsgemäßen Lösung deutlicher gemacht werden.
-
Figur 1 zeigt eine mögliche Ursache für die Entstehung einer gefährlichen
Zündspannung.
-
Figur 2 zeigt das Verfahrensprinzip gemäß der Erfindung.
-
Figur 3 zeigt eine galvanische Entkoppelung mittels langer Wegstrecken.
-
Figur 4 zeigt Außenbeschaltungen eines spannungs- und gasführenden
Rohres gemäß der Erfindung.
-
Nach Figur 1 wird der die Rohrinnenwand 1 (als hochohmige Fläche dargestellt)
bedeckende und ursprünglich gleichmäßige, ionenleitende Flüssigkeitsfilm 2 zwischen
zwei Bezugspunkten 3,4 bei ausreichend unterschiedlichem Potential (Potentialdifferenz
Umax) elektrolysiert oder auf andere Weise, etwa durch Verunreinigungen des Gasgemisches,
in seiner Homogenität gestört. Durch Aufreißen des Leitfilmes verbleiben, zeitlich
und räumlich an Zahl zunehmend, Kontaktzungen 5, die an den Rißstellen 6 Leittropfen
7 bilden. Bei einem bestimmten Abstand der Kontaktzungen kann eine Feldstärke mit
ausreichender Energie aufgebaut werden, um das Gasgemisch zu zünden. Diese Möglichkeit
ist grundsätzlich immer dann vorhanden, wenn eine Mindestspannung überschritten
wird.
-
In Figur 2 ist ein spannungsführendes Entgasungsrohr 1 aus Kunststoff
am einen Ende mit einer Brennstoffzellenbatterie 2 verbunden, am anderen Ende geerdet.
Der Spannungsabfall über die Rohrlänge betrage 300 V. Dann muß
nach
Maßgabe einer höchstzulässigen Streckenspannung von 30 V die Gesamtlänge des Rohres
erfindungsgemäß durch metallischleitende Verbindungsstücke 3 in mindestens 10 Abschnitte
aufgeteilt werden, denen rohraußenseitig die Parallelwiderstände R1, R2, R3 ....R10
zugeordnet sind. Diese bilden gemeinsam eine Entkopplungsleitung.
-
RFilm = 10 kn sei der Widerstand des durchgehenden Elektrolytfilmes
im Rohr. Dann ist der im Elektrolyten fließende Strom 1 = 300V/104Q = 0,03A.
-
Von gleicher Größe wäre der über die Entkopplungsleitung fließende
Verluststrom, der möglichst klein sein soll, wenn die Widerstände R1, R2, R3......
-
jeweils 1 k# betragen, nämlich I = 300 V/10 ~ 103#= 0,03 A. Daraus
ergibt sich eine Verlustleistung von 9 W. Soll im ungünstigsten Fall der Verluststrom
bis zu 1A betragen dürfen, so liegt der jedem Rohrabschnitt zuzuordnende Widerstand
gemäß R1=Umax/imax = 30V/1A bei 30#. In diesem Betrag sind der spezifische Widerstand
des Elektrolyts, dessen Querschnitt und die Länge des Rohrsegments als Parameter
enthalten.
-
Für die anzustrebende galvanische Entkoppelung gasführender Leitungen
sind auch stets lange Wegstrecken günstig, weil sie den Spannungsgradienten vermindern
und hochohmiges Arbeiten gestatten. Eine besonders praktische Lösung für diesen
Zweck, bei der lange Wegstrecken auf engem Raum untergebracht werden können, zeigt
Figur 3. Der besseren Übersicht wegen sind vier Kunststoffplatten 1, welche durch
weitere beliebig vermehrt werden können und paßgenau zu einem kompakten Block verklebt
werden, im auseinandergenommenen Zustand dargestellt. Auf ihrer Vorder- und Rückseite
bilden kanalförmige Auskehlungen 2 jeweils einen nahezu geschlossenen Kreis, derart,
daß beim Zusammenfügen der Platten entpsrechende Vollkanäle entstehen.
-
Mittels Bohrungen 3 aus Metall in jeder Platte kommunizieren die Kanalabschnitte
durch die Platten hindurch und bilden einen durchgehenden, labyrinthartigen Strang.
-
Die metallischen Bohrungen haben die Funktion der metallischleitenden
Verbindungsstücke (Elektroden) und können in der angedeuteten Weise mit Parallelwiderständen
4 beschaltet werden.
-
Im Rahmen der Erfindung läge es auch, spiralig geführte Kanäle in
den Teilungsebenen der Platten vorzusehen.
-
Figur 4a gibt eine detaillierte Darstellung eines Rohrsegments (Isolierstück)
1 mit dem ohmschen Widerstand 2 zwischen den metallischleitenden Verbindungsstücken
(Elektroden) 3, 4, der zum Elektrolytfilm 5 parallel liegt. Dabei soll gelten: R2
= R (R2=Parallelwiderstand, R = Widerstand des Filmes). Bei hoher Potentialdifferenz
zwischen 3 und 4 nimmt der Parallelwiderstand die zum Potentialausgleich erforderliche
Strombelastung auf. Die Verwendung ohmscher Parallelwiderstände bedingt daher bei
ständigen Potentialschwankungen unterhalb der kritischen Zündspannungsgrenze die
Inkaufnahme einer erheblichen Verlustleistung in spannungsführenden Systemen.
-
Eine andere erfindungsgemäße Beschaltung des Gasschlauches sieht daher
vor, die Elektroden 3, 4 gemäß Figur 4b mit antiseriell geschalteten Zenerdioden
6 zu überbrücken. Zenerdioden halten unter normalen Potentialverteilungsbedingungen
im Gasschlauch einen geringen Sperrstrom aufrecht, öffnen dagegen bei einer spezifischen
Durchbruchspannung und geben den auf Abbau der Streckenspannung gerichteten Stromfluß
frei.
-
Die Vorteile der Diodenschaltung liegen einmal darin, daß die Dioden
auf ein kritisches Spannungssignal "aktiv" reagieren, zum anderen darin, daß sie
nur dann belastet werden, wenn die äußeren Spannungsverhältnisse evtl. durch einseitige
Kurzschlüsse des Gasnetzes verschoben werden oder gegenüber dem Normalzustand weitgehend
verändert sind.
-
Im Bedarfsfall können im Parallelzweig auch Zenerdioden mit ohmschen
Widerständen parallel oder in Reihe kombiniert werden.
-
Die metallischleitenden Verbindungsstücke sind als Rohrprofile oder
Ringe, gegebenenfalls mit einer Siebeinlage, geformt und können zweckmäßig neben
ihrer eigentlichen Elektrodenfunktion noch die Rolle von Trägern und zugleich Kühlern
für die Dioden oder sonstigen Beschaltungselemente übernehmen.
-
Alle erörterten Maßnahmen der Erfindung gehen davon aus, daß im Anlagenbetrieb
durch Rißbildungen im Elektrolytfilm der Gasrohre Streckenspannungen unvermeidbar
entstehen, daß es jedoch nur notwendig ist, die Spannungen auf Beträge unterhalb
einer kritischen Zündspannung des Gases zu begrenzen.
-
- Leerseite -