DE3832471A1 - Ausbringung von gasen aus dem elektrolytbehaelter von h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)/o(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-brennstoffzellenbatterien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausbringung von Gasen aus dem Elektrolytbehälter von im schwerelosen Raum be­ triebenen H₂/O₂-Brennstoffzellenbatterien mit frei beweglichem Elektrolyten.

Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenbatterien mit einem frei beweglichen, im Kreislauf geführten Elektrolyten, beispiels­ weise einem alkalischen Elektrolyten wie Kalilauge, benötigen einen Elektrolytbehälter (Elektrolyttank). Über die Niveauhöhe der Flüssigkeit im Elektrolytbehälter kann dabei das Volumen des Elektrolyten bestimmt werden.

Bei Brennstoffzellen und Brennstoffzellenbatterien, die mit Wasserstoff (als Brennstoff) und Luft bzw. Sauerstoff (als Oxi­ dationsmittel) betrieben werden, entsteht als Reaktionsprodukt Wasser, das den Elektrolyten verdünnt. Die Niveauhöhe der Flüs­ sigkeit im Elektrolytbehälter ist somit ein Maß für die durch das Reaktionswasser erfolgende Verdünnung.

Das Reaktionswasser wird in einem sogenannten Elektrolytrege­ nerator aus dem Elektrolyten entfernt. Das abgetrennte Wasser wird dann - je nach Niveauhöhe im Elektrolytbehälter - nach außen abgeführt oder zum Teil wieder dem Elektrolyten im Elek­ trolytbehälter zugesetzt. Um eine derartige Regelung auch in der Schwerelosigkeit durchführen zu können, ist die Ausbildung einer definierten Oberfläche erforderlich. Dazu kann der Elek­ trolytbehälter eine Membran oder eine Blase aufweisen, die mit Gasdruck beaufschlagt ist (siehe dazu die deutschen Patentan­ meldungen Akt.Z. P 37 32 212.5 und P 37 32 213.3). Ein Volu­ mensensor registriert dabei die Ausdehnung der Membran bzw. Blase.

Bei Brennstoffzellen und Brennstoffzellenbatterien, die mit gasförmigen Reaktanten, wie Wasserstoff und Sauerstoff, und mit einem flüssigen, frei beweglichen Elektrolyten betrieben wer­ den, gelangen diese Reaktanten - aufgrund von Diffusionsvor­ gängen und Undichtigkeiten - in den Elektrolyten bzw. in den Elektrolytkreislauf. Bei einem "normalen" Betrieb der Batterien erfolgt dann im Elektrolytbehälter - aufgrund der Schwerkraft bzw. der Auftriebskraft - eine Trennung von Gas und Flüssig­ keit, so daß die im Elektrolyten gelösten Reaktanten relativ einfach entfernt werden können.

Bei einem Betrieb im schwerelosen Raum, beispielsweise bei An­ wendungen in der Raumfahrt, ist dies aber nicht der Fall. Hier verbleiben die Gase vielmehr im Elektrolyten. Dieser schäumt dabei auf, womit eine Volumenvergrößerung verbunden ist, welche die vorstehend erläuterte Regelung erschwert. Dabei kommt noch hinzu, daß in der Start- und Landephase sowie bei Steueraktio­ nen Beschleunigungen auftreten, die ein gerichtetes Kraftfeld erzeugen. Damit besteht dann die Gefahr, daß sich im Elektro­ lyten vorhandene Gasblasen - unter dem Einfluß dieser Beschleu­ nigungskräfte - an bestimmten Stellen im Elektrolytbehälter an­ reichern. Dies muß aber zuverlässig vermieden werden, um einen verfälschenden Einfluß auf den Regelmechanismus zu verhindern.

In der Raumfahrt wurden zwar bereits H₂/O₂-Brennstoffzellen­ batterien eingesetzt (siehe dazu: "Luftfahrttechnik - Raum­ fahrttechnik", Bd. 16 (1970), Nr. 11/12, Seiten 300 bis 304, sowie "Bild der Wissenschaft", 11. Jahrg. (1974), Heft 11, Seiten 76 bis 87), Brennstoffzellenbatterien mit flüssigem, frei beweglichem Elektrolyten gelangten bisher aber noch nicht zur Anwendung. Deshalb hat sich das Problem der Ausbringung von Gasen aus dem Elektrolytbehälter derartiger Batterien bislang auch nicht gestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen zu ergreifen, welche die Ausbringung von Gasen aus dem Elektrolytbehälter von im schwerelosen Raum betriebenen H₂/O₂-Brennstoffzellenbatterien mit frei beweglichem Elektrolyten erlauben.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im Elektrolyt­ behälter ein Behälter mit variabler Oberfläche zur Aufnahme des Elektrolyten angeordnet ist, daß im Elektrolytbehälter an des­ sen Auslaßöffnung ein flexibler Schlauch angebracht ist, der spiralförmig an der Innenwand des Behälters mit variabler Ober­ fläche anliegt, und daß der Schlauch - über seine Länge ver­ teilt - eine Reihe von Löchern aufweist.

Durch die vorstehend genannten Maßnahmen wird erreicht, daß der Elektrolyt und darin vorhandene Gasblasen gleichmäßig aus dem Elektrolytbehälter ausgebracht werden; die Elektrolytförderung erfolgt dabei mit einer Pumpe, durch die der Elektrolyt aus dem Elektrolytbehälter abgesaugt wird. Die Absaugung erfolgt hier­ bei an den kritischen Stellen innerhalb des Behälters mit va­ riabler Oberfläche, da der mit Löchern versehene Schlauch spi­ ralförmig an dessen Innenwand anliegt. Im allgemeinen ist es dabei ausreichend, daß der flexible Schlauch etwa 5 bis 10 Lö­ cher aufweist, da der im Kreislauf geführte Elektrolyt mit einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit (Volumenstrom ca. 400 l/h) in den Elektrolytbehälter eintritt, wodurch eine star­ ke Durchwirbelung erfolgt.

Die zusammen mit dem Elektrolyten aus dem Elektrolytbehälter ausgebrachten Gase, d.h. Wasserstoff bzw. Sauerstoff, können beispielsweise in der Weise beseitigt werden, wie dies in den beiden vorstehend genannten Patentanmeldungen vorgeschlagen ist. Dazu wird im Elektrolytkreislauf der Brennstoffzellenbat­ terie ein sogenannter Gasrekombinator angeordnet, der unter anderem einen Katalysator zur Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff aufweist.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung nimmt der Durchmesser der Löcher, die über die Länge des Schlauches verteilt sind, vorteilhaft mit zunehmender Entfernung von der Auslaßöffnung des Elektrolytbehälters zu. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß auch am Schlauchende noch eine merkliche Absaugung erfolgt, und daß der Druckverlust ausgeglichen wird. Ferner ist der Ge­ samtquerschnitt der Löcher vorteilhaft größer als der Quer­ schnitt der Auslaßöffnung, so daß keine zusätzliche Pumpenlei­ stung erforderlich ist.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung besteht der Behälter mit variabler Oberfläche, der vorzugsweise ein Faltenbalg ist, und/ oder der Schlauch, der flexibel sein muß, vorteilhaft aus Kunststoff. Vorzugsweise dient als Kunststoffmaterial Poly­ tetrafluorethylen (PTFE). PTFE weist den Vorteil auf, daß es sowohl gegen alkalische als auch gegen saure Elektrolyten be­ ständig ist.

Anhand einer Figur, in der eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch im Schnitt darge­ stellt ist, soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

In einem Elektrolytbehälter 10, der beispielsweise aus Polysul­ fon besteht, ist ein Faltenbalg 11 angeordnet, der einen Raum 12 zur Aufnahme des Elektrolyten begrenzt. Durch den Faltenbalg 11 ist der Elektrolytraum 12 von einem Raum 13 zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Gases getrennt. Im Gasraum 13 ist ein Volumensensor 14 angeordnet, der am Faltenbalg 11 angreift.

Der Elektrolytbehälter 10 weist eine Auslaßöffnung 15 für den Elektrolyten auf. Die Auslaßöffnung 15 ist, was in der Figur nicht dargestellt ist, an eine Pumpe zur Förderung des Elektro­ lyten angeschlossen, die in einem Elektrolytkreislauf angeord­ net ist. Mittels dieser Pumpe wird der Elektrolyt durch einen Gasrekombinator und durch die Brennstoffzellenbatterie geleitet und dann zum Elektrolytbehälter 10 zurückgeführt, in den er durch eine - in der Figur nicht dargestellte - Einlaßöffnung eintritt.

Innerhalb des Elektrolytbehälters 10 bzw. innerhalb des Falten­ balges 11 ist an der Auslaßöffnung 15 ein flexibler Schlauch 16 angebracht. Der Schlauch 16, der - ebenso wie der Faltenbalg 11 - vorzugsweise aus PTFE besteht, weist eine Reihe von Lö­ chern 17 auf, die über die Länge des Schlauches 16 verteilt sind. Der Schlauch 16 ist spiralförmig an der Innenwand des Faltenbalges 11 befestigt, so daß die Löcher 17 an den kriti­ schen Stellen am Rand des Faltenbalges zu liegen kommen.

Der Durchmesser der Löcher 17 im Schlauch 16 nimmt vorteilhaft mit zunehmender Entfernung von der Auslaßöffnung 15 des Elek­ trolytbehälters 10 zu. Ferner ist der Gesamtquerschnitt der Lö­ cher 17 vorzugsweise größer als der Querschnitt der Auslaßöff­ nung 15.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Ausbringung von Gasen aus dem Elektrolytbe­ hälter von im schwerelosen Raum betriebenen H₂/O₂-Brennstoff­ zellenbatterien mit frei beweglichem Elektrolyten, da­ durch gekennzeichnet, daß im Elektrolyt­ behälter (10) ein Behälter (11) mit variabler Oberfläche zur Aufnahme des Elektrolyten angeordnet ist, daß im Elektrolytbe­ hälter (10) an dessen Auslaßöffnung (15) ein flexibler Schlauch (16) angebracht ist, der spiralförmig an der Innenwand des Be­ hälters (11) mit variabler Oberfläche anliegt, und daß der Schlauch (16) - über seine Länge verteilt - eine Reihe von Lö­ chern (17) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser der Löcher (17) mit zu­ nehmender Entfernung von der Auslaßöffnung (15) zunimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gesamtquerschnitt der Lö­ cher (17) größer ist als der Querschnitt der Auslaßöffnung (15).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Behälter (11) mit variabler Oberfläche und/oder der Schlauch (16) aus Kunststoff besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kunststoff Polytetrafluorethylen ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behäl­ ter (11) mit variabler Oberfläche ein Faltenbalg ist.