DE69100584T2 - Einen elektrochemischen Verdichter mit umkehrbarem Antrieb verwendender Joule-Thomson-Kühlkreislauf. - Google Patents
Einen elektrochemischen Verdichter mit umkehrbarem Antrieb verwendender Joule-Thomson-Kühlkreislauf.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kältekreislauf und betrifft insbesondere einen Joule-Thomson- Kältekreislauf, bei dem ein elektrochemischer Kompressor benutzt wird, der einen festen Polymerelektrolyten hat.
- Joule-Thomson-Kältekreisläufe sind bekannt und waren in den letzten Jahren Gegenstand von vielen Untersuchungen. Das Grundprinzip des Joule-Thomson-Kältekreislaufs besteht darin, daß ein gasförmiges Arbeitsfluid (z.B. Wasserstoff) mit hohem Druck durch eine Reihe von Wärmetauschern und durch ein Joule-Thomson(J-T)-Ventil gepumpt wird. Die Expansion des Gases in dem J-T-Ventil ergibt insgesamt einen Kühleffekt, der die Temperatur des Fluids auf Werte in der Nähe von oder bei dem Verflüssigungspunkt senkt.
- Im Stand der Technik ist bereits vorgeschlagen worden, einen elektrochemischen Kompressor als Antrieb für einen Joule-Thomson-Kältekreislauf zu benutzen, vgl. z.B. das US- Patent 4 593 534 von Bloomfield. Ideal wird dieser Typ von Kompressor bevorzugt, da er keine bewegten Teile hat. Das System ist deshalb schwingungsfrei und hat das Potential für lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit.
- Ein typischer elektrochemischer Prozessor hat eine erste Elektrode, an der das Arbeitsfluid, das eine elektrochemisch aktive Komponente hat, im allgemeinen Wasserstoff, oxidiert wird; eine zweite Elektrode, an der die elektrochemisch aktive Komponenten reduziert wird; und einen Elektrolyten, der dazu dient, die ionische Spezies zu leiten. Der Elektrolyt ist im allgemeinen eine feste Ionenaustauschmembran wie ein fester Polymerelektrolyt.
- Die Arbeitsweise des elektrochemischen Kompressors ist folgende. Niederdruckwasserstoff an dem Kompressoreinlaß wird an der ersten Elektrode durch Entfernen der Elektronen ionisiert. Die Wasserstoffionen, Protonen, werden dann über ein Spannungspotential durch die Elektrolytmembran transportiert. An der zweiten Elektrode werden die Protonen mit ihren Elektronen rekombiniert, um Wasserstoff zu bilden. Platin, das als ein Katalysator an jeder Elektrode vorgesehen ist, erleichtert die Reduktions- und Oxidationsreaktionen. Wasserstoff wird in direktem Verhältnis zu dem elektrischen Strom durch die Membran transportiert.
- Wenn der elektrochemische Kompressor arbeitet, muß die feste Polymermembran hydratisiert werden. Andernfalls wird sich die Zellenleistung mit der Zeit stark verschlechtern.
- Die Anmelderin hat ein Dehydrationsproblem erkannt. Feuchtigkeit wird leider ständig aus der Membran entfernt, wenn das Gas durch sie hindurchgeht. Da Kontaminate wie Wasser in einem Joule-Thomson-Kältekreislauf nicht zugelassen werden können, wird das Gas dann durch ein Sorbensbett hindurchgeleitet. Dort wird die mitgeführte Feuchtigkeit kondensiert und herausgefroren oder absorbiert.
- Die Anmelderin hat festgestellt, daß die Effizienz und die Nutzlebensdauer der Zelle verlängert werden, wenn die Membran ständig benetzt oder hydratisiert wird. Es wäre deshalb äußerst erwünscht, einen Joule-Thomson-Kältekreislauf unter Verwendung eines elektrochemischen Kompressors zu schaffen, der gestattet, daß seine Membran aus festem Polymerelektrolyt durch in dem Arbeitsfluid mitgeführtes Wasser ständig hydratisiert wird.
- Es ist demgemäß die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Joule-Thomson-Kältekreislauf zu schaffen, bei dem die ständige Benetzung des Polymerteils durch eine kondensierbare Komponente in dem Arbeitsfluid erreicht wird.
- Es ist eine besondere Aufgabe, einen Kältekreislauf zu schaffen, bei dem eine regenerierbare Sorbenseinrichtung stromaufwärts und stromabwärts des elektrochemischen Kompressors benutzt wird, um Wasser aus dem Hochdruckarbeitsfluid zu entfernen und Wasser in ein Niederdruckarbeitsfluid wieder einzubringen.
- Es ist eine weitere Aufgabe, einen Kältekreislauf zu schaffen, der sich mit den oben aufgeführten Aufgaben verträgt und bei dem der elektrochemische Kompressor durch eine Stromquelle mit umsteuerbarer Polarität gespeist wird, so daß die Gasströmung durch den Kompressor in dem Kältekreislauf wahlweise umgekehrt werden kann.
- Die obigen und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden leichter deutlich, wenn die folgende Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird.
- Die vorliegende Erfindung ist, wie oben dargelegt, auf einen Joule-Thomson-Kältekreislauf gerichtet, bei dem ein elektrochemischer Kompressor benutzt wird, der einen festen Polymerelektrolyten hat, und insbesondere auf einen Joule- Thomson-Kreislauf, bei dem eine Stromquelle mit umsteuerbarer Polarität benutzt wird, um den elektrochemischen Kompressor wahlweise in entgegengesetzten Richtungen anzutreiben, um so die Membran in einem hydratisierten Zustand zu halten.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 1 und 10 definiert ist, beinhaltet der Kältekreislauf einen elektrochemischen Kompressor mit einer Niederdruckseite und einer Hochdruckseite und eine zwischen der Hoch- und Niederdruckseite des Kompressors angeordnete Elektrolytmembran. Das Arbeitsfluid, das durch den elektrochemischen Kompressor angetrieben wird, enthält eine elektrochemisch aktive Komponente, die aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Sauerstoff, Wasserstoff und einem Element besteht, das aus der Gruppe VIIA des Periodensystems ausgewählt wird, und eine kondensierbare Komponente, bei der es sich in der bevorzugten Ausführungsform um Wasser handelt. Eine Stromquelle mit umsteuerbarer Polarität ist vorgesehen zum Speisen des elektrochemischen Kompressors, so daß das Arbeitsfluid auf der Niederdruckseite empfangen wird, das Arbeitsfluid komprimiert wird und das komprimierte Arbeitsfluid auf der Hochdruckseite des Kompressors abgegeben wird. Die Polarität der Stromquelle kann umgekehrt werden, um das Arbeitsfluid in entgegengesetzten Richtungen durch den Kältekreislauf zu treiben.
- Gemäß der Erfindung ist ein erstes regenerierbares Sorbensbett stromabwärts der Hochdruckseite vorgesehen, um Fluid aus dem Kompressor zu empfangen und die kondensierbare Komponente des Arbeitsfluids aus dem Strom komprimierten Gases zu entfernen. Ein zweites regenerierbares Sorbensbett ist stromaufwärts der Niederdruckseite des Kompressors angeordnet, um die kondensierbare Komponente wieder in das Arbeitsfluid einzubringen, bevor dieses Fluid dem Kompressor zugeführt wird. Durch Umkehren der Polarität der Stromquelle benetzt die kondensierbare Komponente des Arbeitsfluids ständig die Elektrolytmembran des elektrochemischen Kompressors.
- Darüber hinaus ist ein Wärmetauscher oder Wärmeableiter zwischen dem ersten und zweiten regenerierbaren Sorbensbett angeordnet. Ein erstes und ein zweites Joule-Thomson-Expansionsventil sind stromaufwärts und stromabwärts der Wärmelast mit einer relativ konstanten Temperatur vorgesehen. Ein Gegenstromwärmetauscher ist zwischen den Sorbensbetten und den J-T-Ventilen vorgesehen.
- Der hier beschriebene Kältekreislauf gestattet einen kontinuierlichen Betrieb und gewährleistet dabei, daß die feste Polymerelektrolytmembran ständig mit Wasser benetzt wird, indem einfach die Polarität des elektrochemischen Kompressors umgekehrt wird.
- Die einzige Figur (Fig. 1) ist eine schematische Darstellung eines Kältekreislaufs gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Ein gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauter Joule- Thomson-Kältekreislauf 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Der Kältekreislauf 10 umfaßt grundsätzlich einen elektrochemischen Kompressor 12, der durch eine in der Polarität umsteuerbare Stromquelle 14 gespeist wird; ein Paar regenerierbarer Sorbensbetten 16, 18, die stromaufwärts und stromabwärts des Kompressors 12 angeordnet sind; einen regenerativen Wärmetauscher 20, der zwischen den Sorbensbetten 16, 18 und einem Wärmeableiter 24 angeordnet ist; und ein Paar Joule-Thomson-Expansionseinrichtungen 26, 28, die stromaufwärts und stromabwärts des Wärmeableiters zwischen dem Wärmeableiter 24 und dem regenerativen Wärmetauscher 20 angeordnet sind.
- Der bevorzugte elektrochemische Kompressor 12 hat eine erste poröse Elektrode 30, die mit einem Platinkatalysator versehen ist, und eine zweite poröse Elektrode 32, die ebenfalls mit einem Platinkatalysator versehen ist. Diese Elektroden 30, 32 sind mit der in der Polarität umsteuerbaren Stromquelle 14 durch Anschlußleitungen 34, 36 verbunden; und eine Membran 38 aus einem festen Polymerelektrolyt ist zwischen den Elektroden vorgesehen. Die bevorzugte Festpolymerelektrolytmembran 38 besteht aus dem Polymermaterial, das von Du Pont hergestellt und unter dem Warenzeichen NAFION verkauft wird, nämlich sulfoniertem Perfluorkohlenstoffpolymer.
- Das Arbeitsfluid in dem Kreislauf 10 ist eine elektrochemisch aktive Komponente, die aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Sauerstoff, Wasserstoff und Elementen der Gruppe VIIA des Periodensystems besteht. Wasserstoff ist das bevorzugte Arbeitsfluid.
- Das Arbeitsfluid enthält eine kondensierbare Komponente - das gilt aber grundsätzlich nur an dem Kompressorende. An dem J-T-Expansionseinrichtungsende ist das Fluid im wesentlichen nur die aktive Komponente (z.B. Wasserstoff oder Sauerstoff) mit lediglich Spuren von Feuchtigkeit. Die Arbeitsweise des Kreislaufs wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf ein Arbeitsfluid beschrieben, das Wasserstoff und Wasser umfaßt. Da die elektrochemische Kompressorzelle 12 symmetrisch ist, wird das Umkehren der Elektrodenpolarität der Zelle 12 durch die Stromquelle 14 zur Umkehrung der Pumprichtung des gasförmigen Wasserstoffes führen. Wenn angenommen wird, daß die Polarität der Quelle 14 so ist, daß die Elektrode 32 die Anode und die Elektrode 30 die Katode bildet, so wäre 40 die Niederdruckseite des Kompressors 12 und 42 die Hochdruckseite. Wenn der elektrochemische Kompressor 12 auf diese Weise arbeitet, tritt das Arbeitsfluid auf der Niederdruckseite 40 des Kompressors über die Leitung 44 ein. Das Arbeitsfluid kommt mit der Elektrode 32 in Kontakt, die nun als Anode wirkt, und die elektrochemische Spezies des Arbeitsfluids, Wasserstoff, wird an der Elektrode 32 zu Wasserstoffionen oxidiert. Die Wasserstoffionen werden dann über das Spannungspotential durch die Festpolymerelektrolytmembran 38 transportiert. Die kondensierbare Komponente des Arbeitsfluids, d.h. Wasser, tritt in die Elektrolytmembran ein, wo sie die Wasserstoffionen umgibt, wodurch eine Hydrationshülle gebildet wird. Wenn die Elektronen von der Anode 32 zu der Katode 38 gehen, gehen die Wasserstoffionen in dem Elektrolyten zusammen mit dem Wasser der Hydration von der Anode zu der Katode. Das Wasserstoffgas, das über die hydratisierte Membran hinweggeleitet worden ist, wird Wasserdampf in einer Konzentration enthalten, die ungefähr gleich dem Dampfdruck des Wassers bei einer bestimmten Sättigungstemperatur ist. Feuchtigkeit (Wasser) wird aus der Membran mit einer Geschwindigkeit entfernt, die von der Wasserstoffströmung abhängig ist. Infolgedessen ist das Wasserstoffgas, das die Hochdruckseite 42 des Kompressors verläßt, mit Wasserdampf im wesentlichen gesättigt. Da die Joule-Thomson-Drosselbohrung/Expansionseinrichtung Verunreinigungen wie Wasser nicht zulassen kann, wird das gesättigte Gas durch eine Leitung 46 zu einem ersten regenerierbaren Sorbensbett 16 geleitet. Dort wird das Wasser aus dem Arbeitsfluidstrom entfernt, bevor der Arbeitsfluidstrom durch den Gegenstromwärmetauscher 20 und das Joule-Thomson- Expansionsventil 26 hindurch- und schließlich zu dem Wärmeableiter 24 geht. Die Druckverringerung, die durch die Expansion des Fluids in dem Joule-Thomson-Expansionsventil 26 bewirkt wird, führt insgesamt zu einer Kühlwirkung, welche die Wasserstofftemperatur zur Übertragung auf den Wärmeableiter 24 senkt. Das Arbeitsfluid, das den Wärmeableiter 24 verläßt, wird dann zu dem elektrochemischen Kompressor 12 über den Gegenstromwärmetauscher 20, das regenerierbare Sorbensbett 18 und die Leitung 44 zurückgeleitet.
- Aus den vorstehenden Darlegungen ist zu erkennen, daß während des Betriebes des Kältekreislaufs Wasserdampf aus der Festpolymerelektrolytmembran 38 entfernt und in dem Sorbensbett 16 aufgefangen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, um die Festpolymerelektrolytmembran benetzt zu halten, die Polarität des elektrochemischen Kompressors 12 über die Stromquelle 14 umgekehrt werden, um zu gestatten, daß Wasserstoff in der entgegengesetzten Richtung gepumpt wird. Bei Umkehrung der Polarität wird 42 die Niederdruckseite des Kompressors 12, und 40 wird die Hochdruckseite des Kompressors 12. Bei diesem Betrieb kommt nun das Sorbensbett 16, das zuvor Feuchtigkeit auf der Hochdruckseite des Kompressors aufgenommen hat, mit trockenem Niederdruckgas in Kontakt, das aus dem Wärmeableiter 24 zu der Zelle zurückkehrt. Durch dieses trockene Niederdruckgas wird das Bett 16 effektiv desorbiert und regeneriert, und Feuchtigkeit wird in den Arbeitsfluidstrom absorbiert, welchen die Leitung 46 zu der Niederdruckseite 42 des elektrochemischen Kompressors 12 führt. Das bringt Wasserdampf zurück zu dem Kompressor 12, welcher die Elektrolytmembran 38 benetzt. Somit kann durch wahlweises Umkehren der Polarität der Stromquelle 14 der Kompressor in entgegengesetzten Richtungen angetrieben werden, wodurch gewährleistet wird, daß die Festpolymermembran 38 ständig mit der kondensierbaren Komponente des Arbeitsfluids benetzt wird; und die Sorbensbetten werden periodisch regeneriert.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Standarddoppelexpansionsventile 26, 28 (wie Drosselbohrungen oder Kapillarrohre) in dem Kältekreislauf benutzt. Durch die Verwendung einer solchen thermischen Doppelexpansionseinrichtung erfolgt der Abfall der Joule-Thomson-Expansionstemperatur in sequentiellen Schritten, was dem Wärmesorbens 18 gestattet, die Wärmelast mit einer relativ konstanten Temperatur zu tragen. Das ist einem einzelnen Joule-Thomson-Expansionsventil vorzuziehen, welches große Temperaturveränderungen bei der Strömungsumkehrung zur Folge hätte.
- Die Feuchtigkeit, die aus der Membran entfernt wird, ist, wie oben dargelegt, von der Gasdurchflußleistung des gepumpten Wasserstoffs abhängig. Wenn die Durchflußleistung festliegt, kann ohne weiteres ermittelt werden, wann die Umkehrung der Polarität vorgenommen werden sollte, um zu gewährleisten, daß die Festpolymerelektrolytmembran immer ausreichend mit einer kondensierbaren Komponente des Arbeitsfluids benetzt ist.
- Aus vorstehenden Darlegungen ist zu erkennen, daß der Kältekreislauf nach der vorliegenden Erfindung einen einfachen und wirtschaftlichen Mechanismus zum Betreiben eines Joule-Thomson-Kältekreislaufs bildet, bei dem ein elektrochemischer Kompressor benutzt wird, der eine Festpolymerelektrolytmembran hat.
- Dem Fachmann dürfte klar sein, daß offensichtliche Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können. Zum Beispiel könnte ein regenerativer Gegenstromwärmetauscher statt der Sorbensbetten 16, 18 und des Wärmeableiters 24 benutzt werden.
Claims (13)
1. Joule-Thomson-Kältekreislauf mit: einem
elektrochemischen Kompressor, der eine Niederdruckseite, eine
Hochdruckseite und eine Elektrolytmembran zwischen der
Niederdruckseite und der Hochdruckseite hat; einem
Arbeitsfluid, das eine elektrochemisch aktive Komponente und eine
kondensierbare Komponente hat; einer Stromquelle mit
umsteuerbarer Polarität zum Speisen des elektrochemischen
Kompressors zum Empfang des Arbeitsfluids auf der
Niederdruckseite, Komprimieren des Arbeitsfluids und Abgeben des
komprimierten Arbeitsfluids auf der Hochdruckseite; einem
ersten regenerierbaren Sorbensbett stromabwärts der
Hochdruckseite zum Empfangen des komprimierten Arbeitsfluids
aus dem Kompressor und zum Absorbieren der kondensierbaren
Komponente aus demselben; einem zweiten regenerierbaren
Sorbensbett stromaufwärts der Niederdruckseite zum
Wiedereinbringen der kondensierbaren Komponente in das
Arbeitsfluid, bevor das Arbeitsfluid der Niederdruckseite des
Kompressors zugeführt wird; einem Wärmetauscher, der zwischen
dem ersten und zweiten regenerierbaren Sorbensbett
angeordnet ist; einer ersten thermischen Expansionseinrichtung,
die zwischen dem ersten regenerierbaren Sorbensbett und dem
Wärmetauscher vorgesehen ist; einer zweiten thermischen
Expansionseinrichtung, die zwischen dem zweiten
regenerierbaren Sorbensbett und dem Wärmetauscher vorgesehen ist; und
einer Einrichtung zum wahlweisen Umkehren der Polarität der
Stromquelle und entsprechend der Strömung des Arbeitsfluids
durch den Kältekreislauf, um dadurch zu ge-währleisten, daß
die Elektrolytmembran ständig durch die kondensierbare
Komponente benetzt wird.
2. Kältekreislauf nach Anspruch 1, wobei die kondensierbare
Komponente Wasser ist.
3. Kältekreislauf nach Anspruch 2, wobei die
elektrochemisch aktive Komponente aus der Gruppe ausgewählt ist, die
aus Wasserstoff, Sauerstoff und einem Element besteht,
welches aus der Gruppe VIIA des Periodensystems ausgewählt
ist.
4. Kältekreislauf nach Anspruch 1, wobei die
Elektrolytmembran eine Festpolymermembran ist.
5. Kältekreislauf nach Anspruch 4, wobei die
Elektrolytmembran sulfoniertes Perfluorkohlenstoffpolymer ist.
6. Kältekreislauf nach Anspruch 2, wobei die aktive
Komponente Wasserstoff ist.
7. Kältekreislauf nach Anspruch 1, wobei ein
Gegenstromwärmetauscher zwischen dem ersten und zweiten Sorbensbett
angeordnet ist, um Arbeitsfluid aus einem der Sorbensbetten
zum empfangen und das Arbeitsfluid in das andere
Sorbensbett zu leiten.
8. Kältekreislauf nach Anspruch 1, wobei die thermischen
Expansionseinrichtungen Kapillarrohre sind.
9. Kältekreislauf nach Anspruch 1, wobei die thermischen
Expansionseinrichtungen Drosselbohrungen sind.
10. In einem Joule-Thomson-Kältekreislauf, bei dem ein
elektrochemischer Kompressor benutzt wird, der eine
Festpolymerelektrolytmembran hat, beinhaltet ein Verfahren zum
ständigen Benetzen der Festpolymerelektrolytmembran:
Bereitstellen eines Arbeitsfluids, das eine elektrochemisch
aktive Komponente und eine kondensierbare Komponente hat,
Pumpen des Arbeitsfluids in einer ersten Richtung durch den
elektrochemischen Kompressor, um dadurch das Arbeitsfluid
zu komprimieren, Absorbieren der kondensierbaren Komponente
aus dem komprimierten Arbeitsfluid in einem Sorbensbett,
und anschließend Umkehren der Fluidpumprichtung, wodurch
die kondensierbare Komponente aus dem Sorbensbett in das
Arbeitsfluid abgegeben wird, um die
Festpolymerelektrolytmembran zu benetzen, wenn das Arbeitsfluid durch den
elektrochemischen Kompressor gepumpt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Elektrolytmembran
sulfoniertes Perfluorkohlenstoffpolymer ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die kondensierbare
Komponente Wasser ist.
13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die aktive Komponente
Wasserstoff ist.
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