<Desc/Clms Page number 1>
Anordnung zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden
In Brennstoffelementen werden als Elektroden bekanntlich Gasdiffusionselektroden verwendet, welche den Gasraum und den Elektrolyten makroskopisch trennen und in deren Porenschläuchen sich als Ort der Reaktion die sogenannte Dreiphasengrenze ausbildet. Werden solche Elektroden elektrisch belastet, so treten an denElektroden Polarisationen auf, die ein Absinken der Spannung bewirken. Diese Polarisationen werden beispielsweise in einem mit Wasserstoff- und Sauerstoffgas betriebenen Brennstoffelement mindestens teilweise durch die Bildung von Wasser in den Porenschläuchen der Wasserstoffelektrode hervorgerufen.
Allgemein sind die bei der Reaktion entstehenden Produkte bzw. deren durch die Diffusion nur in beschränktem Masse erfolgender Abtransport aus den Porenschläuchen für einen namhaften Anteil der Gesamtpolarisation verantwortlich.
Es ist bekannt, das Absinken der Spannung dadurch zu vermeiden, dass mit Hilfe einer Referenzelektrode die unerwünschte Polarisation gemessen wird und dass bei Erreichen eines bestimmten, nicht mehr tragbaren Wertes der Elektrode des Brennstoffelementes für kurze Zeit das Brenngas unter höherem Druck zugeführt wird, wodurch die Porenschläuche des Elektrodenkörpers leergeblasen werden und damit die Beseitigung der unerwünschten Produkte und der störenden Polarisation erfolgt.
EineReferenzelektrode, mit der die Polarisation derElektroden gemessen wird und durch welche nach Überschreiten eines gewissen Wertes der Spülgasstrom ausgelöst wird, weist verschiedene Nachteile auf.
Eine Referenzelektrode, die lediglich Regelvorgänge auslösen soll, darf nur eine geringe Menge elektrochemisch erzeugter Energie verbrauchen und daher nur kleine Ströme aufnehmen. Daraus folgt, dass zur - Auslösung der Regelimpulse Verstärker mit empfindlichen Schwellwerteinrichtungen notwendig, sind.
Ausserdem unterliegen Referenzelektroden Änderungen und Alterserscheinungen, die ihre Überwachung und/oder Erneuerung notwendig machen. Schliesslich verursacht die räumliche Anordnung der Referenzelektrode in unmittelbarer Nähe der zu überwachenden Elektrode des Brennstoffelementes mit den erfor- derlichen hochohmigen Steuerleitungen und mechanisch empfindlichen Stromschlüsseln einen hohen Auf- wand und erschwert die konstruktive Gestaltung der Brennstoffelemente in kompakter Bauweise und be- triebssicherer Ausführung.
Durch die Anordnung zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden gemäss der Erfindung werden die genannten Nachteile vermieden. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das
Brennstoffelement über je ein Auslassventil mit dem Gasreservoir und einem Hilfsgasreservoir verbunden ist, die ihrerseits über je einEinlassventil mitGas konstantenDruckes gespeist sind, wobei der Speisedruck desHilfsgasreservoirs höher als derjenige desGasreservoirs ist, und dass normalerweise das Auslassventil des
Gasreservoirs und das Einlassventil des Hilfsgasreservoirs geöffnet sind, dagegen während der Nachfüllperio- de das Einlassventil des Gasreservoirs und das Auslassventil des Hilfsgasreservoirs geöffnet sind.
An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden. In Fig. l ist ein Ausführungsbei- spiel gezeig4 in Fig. 2 der zeitliche Verlauf des Gasdruckes.
In der bevorzugten Anordnung gemäss Fig. 1 ist die Elektrode des Brennstoffelementes über je ein Aus- lassventil mit dem Gasreservoir und einem Hilfsgasreservoir verbunden, die ihrerseits über je ein Einlass- ventil mit Gas konstanten Druckes gespeist werden, wobei der Speisedruck des Hilfsgasreservoirs höher als derjenige desGasreservoirs ist. Normalerweise sind das Auslassventil des Gasreservoirs und das Einlassventil
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
Mit E ist die Elektrode des Brennstoffelementes bezeichnet, an welche über die Leitung L das Brenn- gas geführt ist. Mit G ist das die Elektrode über das Auslassventil V speisende Gasreservoir bezeichnet, dessen Gasdruck zwischen den Werten p und p schwanken soll. DieDrucke p und p sind hiebei die obe- ren und die unteren Werte des Betriebsdruckes der Elektrode, innerhalb welcher Einstellungen der Dreiphasengrenze in den Porenschläuchen des Elektrodenkörpers möglich sind, ohne dass das Gas ungenutzt durch die Elektrode strömt.
EMI2.2
Gtil V reduziert den Druck po auf den Druck p, der dem oberen Wert des Betriebsdruckes des Gasreservoirs G entspricht.
EMI2.3
reduktionsventils V, welches den Gasdruck po auf den Wert p reduziert.
In der Gaszuleitung L zur Elektrode E des Brennstoffelementes ist ein Druckfühler F vorgesehen, der die pneumatische Steuerung der Ventile V... V bewirkt.
Der Druckfühler F und die pneumatische Steuerung der Ventile sind so ausgelegt, dass im normalen Betrieb, wenn dem Brennstoffelement Strom entnommen wird, das Auslassventil V des Gasreservoirs ge- öffnet und das Einlassventil Vl geschlossen ist. Gleichzeitig ist das Auslassventil V4 des Hilfsgasreservoirs geschlossen und sein Einlassventil V geöffnet. Das Gas strömt also unter stetig abnehmendem Druck zur Elektrode.
Sobald der Druck im Gasreservoir G und damit in der Gasleitung L den unteren vorgeschriebenen Wert p erreicht, spricht der Druckfühler F an und bewirkt zwecks Nachfüllen desGasreservoirsG das Öff- nen desEinlassventilsV und das Schliessen des Auslassventils V. Gleichzeitig wird das Einlassventil V des
EMI2.4
Wenn derbruck im Hilfsgasreservoir G auf den Wert p abgesunken ist, spricht der Druckfühler F erneut an und bewirkt das Schliessen des Auslassventils V des Hilfsgasreservoirs G und das Öffnen des Aus-
EMI2.5
beitsperiode bezeichnet, während welcher die Elektrode des Brennstoffelementes mit dem Gasreservoir G verbunden ist.
Mit II ist die Spül- und Nachfüllperiode bezeichnet, während welcher die Elektrode am Hilfsgasreservoir G2 liegt und von einem Gasstrom durchströmt wird, dessen Druck höher ist als der ober- ste Betriebsdruck p der Elektrode für den elektrochemischen Umsatz. Die Einstellung der gewünschten Periodenlänge kann leicht durch passende Abstimmung der Druck- und Volumenverhältnisse der beiden Gasreservoire G und G erfolgen.
Die Erfindung beruht darauf, dass gemäss dem Faraday'sehen und dem Boyle-Mariotte'sehen Gesetz eine quantitative Beziehung zwischen der Abnahme des Gasdruckes in einem die Elektrode eines Brennstoffelementes speisenden Gasreservoir, der erzeugten Elektrizitätsmenge und der in den Porenschläuchen der Elektrode abgeschiedenen Menge unerwünschter Produkte besteht. Am Beispiel der Wasserstoff-Elektrode eines Wasserstoff-Sauerstoff-Elementes sei dies näher erläutert.
Auf Grund des Faraday'sehen Gesetzes entsprechen 11,2 Normal-Liter Wasserstoffgas einer Elektrizitätsmenge von 26, 8 Ah bzw. einer abgeschiedenen Wassermenge von 9 g. Wird daher die Elektrode aus einemGasreservoir gespeist, so wird entsprechend dem elektrochemischen Umsatz und dem Inhalt des Gasreservoirs eine Abnahme des Gasdruckes gemäss dem Boyle-Mariotte'sehen Gesetz eintreten. Mit dieser Abnahme des Gasdruckes steht eine entsprechende Bildung von Wasser in der Nähe der Dreiphasengrenze in den Porenschläuchen des Elektrodenkörpers in Zusammenhang. Unterschreitet der Gasdruck einen bestimmten Wert, so ist dies gleichbedeutend mit der Bildung einer bestimmten Wassermenge, deren Abtransport
<Desc/Clms Page number 3>
durch Diffusion allein nicht mehr in genügendem Masse möglich ist.
Gegenüber der Anwendung einer Referenzelektrode weist die Anordnung gemäss der Erfindung den Vorteil auf, dass die Verschlechterung der Elektrode infolge Polarisation direkt durch den Druckabfall im Gasreservoir erfasst wird und dass die Energie für die Regelung derGaszufuhr grundsätzlich vor der Konversion in elektrische Energie in Form mechanischer Arbeit direkt dem Gassystem entnommen werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden. dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffelement über je ein Auslassventil mit dem Gasreservoir und einem Hilfsgasreservoir verbunden ist, die ihrerseits über je ein Einlassventil mit Gas konstanten Druckes gespeist sind, wobei der Speisedruck des Hilfsgasreservoirs höher als derjenige des Gasreservoirs ist, und dass normalerweise das Auslassventil des Gasreservoirs und das Einlassventil des Hilfsgasreservoirs geöffnet sind, dagegen während derNachfüllperiode das Einlassventil des Gasreservoirs und das Auslassventil des Hilfsgasreservoirs geöffnet sind.
<Desc / Clms Page number 1>
Arrangement for operating a fuel element with gas diffusion electrodes
As is known, gas diffusion electrodes are used as electrodes in fuel elements, which macroscopically separate the gas space and the electrolyte and in the pore tubes of which the so-called three-phase boundary is formed as the site of the reaction. If such electrodes are electrically loaded, polarizations occur on the electrodes, which cause the voltage to drop. These polarizations are caused, for example, in a fuel element operated with hydrogen and oxygen gas, at least partially by the formation of water in the pore tubes of the hydrogen electrode.
In general, the products formed during the reaction or their removal from the pore tubes, which occurs only to a limited extent as a result of diffusion, are responsible for a considerable proportion of the total polarization.
It is known to avoid the drop in voltage by measuring the undesired polarization with the aid of a reference electrode and, when a certain, no longer acceptable value is reached, the fuel gas is supplied to the electrode of the fuel element for a short time under higher pressure, whereby Pore tubes of the electrode body are blown empty and thus the removal of the unwanted products and the disruptive polarization takes place.
A reference electrode, with which the polarization of the electrodes is measured and through which the purge gas flow is triggered after a certain value is exceeded, has various disadvantages.
A reference electrode, which is only intended to trigger control processes, may only consume a small amount of electrochemically generated energy and therefore only accept small currents. It follows from this that amplifiers with sensitive threshold value devices are necessary to trigger the control pulses.
In addition, reference electrodes are subject to changes and signs of aging, which make their monitoring and / or renewal necessary. Finally, the spatial arrangement of the reference electrode in the immediate vicinity of the electrode of the fuel element to be monitored with the necessary high-resistance control lines and mechanically sensitive electrical keys causes a lot of effort and makes it difficult to construct the fuel elements in a compact and operationally reliable design.
The above-mentioned disadvantages are avoided by the arrangement for operating a fuel element with gas diffusion electrodes according to the invention. The arrangement is characterized in that the
Fuel element is connected via an outlet valve with the gas reservoir and an auxiliary gas reservoir, which in turn are fed with constant gas pressure via an inlet valve, the feed pressure of the auxiliary gas reservoir being higher than that of the gas reservoir, and that normally the outlet valve of the
Gas reservoir and the inlet valve of the auxiliary gas reservoir are open, while the inlet valve of the gas reservoir and the outlet valve of the auxiliary gas reservoir are open during the refill period.
The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. In FIG. 1, an exemplary embodiment is shown in FIG. 2, the time course of the gas pressure.
In the preferred arrangement according to FIG. 1, the electrode of the fuel element is connected to the gas reservoir and an auxiliary gas reservoir via an outlet valve each, which in turn are fed with constant gas pressure via an inlet valve, the supply pressure of the auxiliary gas reservoir being higher than that of the gas reservoir. Usually the outlet valve is the gas reservoir and the inlet valve
<Desc / Clms Page number 2>
EMI2.1
The electrode of the fuel element to which the fuel gas is fed via the line L is denoted by E. The gas reservoir which feeds the electrode via the outlet valve V and whose gas pressure should fluctuate between the values p and p is denoted by G. The pressures p and p are the upper and lower values of the operating pressure of the electrode, within which adjustments of the three-phase boundary in the pore tubes of the electrode body are possible without the gas flowing unused through the electrode.
EMI2.2
Gtil V reduces the pressure po to the pressure p, which corresponds to the upper value of the operating pressure of the gas reservoir G.
EMI2.3
reduction valve V, which reduces the gas pressure po to the value p.
A pressure sensor F is provided in the gas feed line L to the electrode E of the fuel element, which controls the valves V ... V pneumatically.
The pressure sensor F and the pneumatic control of the valves are designed in such a way that in normal operation, when power is drawn from the fuel element, the outlet valve V of the gas reservoir is opened and the inlet valve V1 is closed. At the same time, the outlet valve V4 of the auxiliary gas reservoir is closed and its inlet valve V is open. The gas flows to the electrode under steadily decreasing pressure.
As soon as the pressure in the gas reservoir G and thus in the gas line L reaches the lower prescribed value p, the pressure sensor F responds and causes the inlet valve V to open and the outlet valve V to close in order to refill the gas reservoir G. At the same time, the inlet valve V des
EMI2.4
When the pressure in the auxiliary gas reservoir G has dropped to the value p, the pressure sensor F responds again and causes the outlet valve V of the auxiliary gas reservoir G to close and the outlet to open
EMI2.5
denotes working period during which the electrode of the fuel element is connected to the gas reservoir G.
The flushing and refilling period during which the electrode lies on the auxiliary gas reservoir G2 and is flowed through by a gas stream whose pressure is higher than the uppermost operating pressure p of the electrode for the electrochemical conversion is denoted by II. The desired period length can easily be set by matching the pressure and volume ratios of the two gas reservoirs G and G.
The invention is based on the fact that, according to Faraday's law and the Boyle-Mariotte's law, a quantitative relationship between the decrease in gas pressure in a gas reservoir feeding the electrode of a fuel element, the amount of electricity generated and the amount of undesired products deposited in the pore tubes of the electrode consists. This will be explained in more detail using the example of the hydrogen electrode of a hydrogen-oxygen element.
On the basis of Faraday's law, 11.2 normal liters of hydrogen gas correspond to an amount of electricity of 26.8 Ah or an amount of separated water of 9 g. If, therefore, the electrode is fed from a gas reservoir, a decrease in the gas pressure according to Boyle-Mariotte's law will occur in accordance with the electrochemical conversion and the content of the gas reservoir. This decrease in gas pressure is associated with a corresponding formation of water in the vicinity of the three-phase boundary in the pore tubes of the electrode body. If the gas pressure falls below a certain value, this is synonymous with the formation of a certain amount of water, its removal
<Desc / Clms Page number 3>
is no longer possible to a sufficient extent through diffusion alone.
Compared to the use of a reference electrode, the arrangement according to the invention has the advantage that the deterioration of the electrode as a result of polarization is detected directly by the pressure drop in the gas reservoir and that the energy for regulating the gas supply is basically directly in the form of mechanical work before the conversion into electrical energy can be taken from the gas system.
PATENT CLAIMS:
1. Arrangement for operating a fuel element with gas diffusion electrodes. characterized in that the fuel element is connected to the gas reservoir and an auxiliary gas reservoir via an outlet valve, which in turn are fed with constant gas pressure via an inlet valve, the feed pressure of the auxiliary gas reservoir being higher than that of the gas reservoir, and that normally the outlet valve of the Gas reservoir and the inlet valve of the auxiliary gas reservoir are open, while the inlet valve of the gas reservoir and the outlet valve of the auxiliary gas reservoir are open during the refill period.