DE1228686B

DE1228686B - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden

Info

Publication number: DE1228686B
Application number: DEA40775A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Heinz-Guenther Plust; Dr-Ing Carl Georg Telschow
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1962-07-06
Filing date: 1962-07-20
Publication date: 1966-11-17
Also published as: US3418167A; CH397800A; NL294942A; BE634492A; GB1004042A; FR1378863A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

int. Cl.:

HOIm

Deutsche Kl.: 21b-14/01

Nummer: 1228 686

Aktenzeichen: A 40775 VI b/21 b

Anmeldetag: 20. Juli 1962

Auslegetag: 17. November 1966

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 den Elektroden 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.

Eine Referenzelektrode, mit der die Polarisation der Elektroden 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 erforderlichen hochohmigen Steuerleitungen und mechanisch empfindlichen Stromschlüsseln einen hohen Aufwand und erschwert die konstruktive Gestaltung der Brennstoffelemente in kompakter Bauweise und betriebssicherer Ausführung.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden, die durch gesteuerte, kurzzeitige Er-Verf ahren zum Betrieb eines
Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden

Anmelder:

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.,

Baden (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Heinz-Günther Plust, Spreitenbach;

Dr.-Ing. Carl Georg Telschow, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 6. Juli 1962 (8139)

höhung des Gasdruckes zeitweise mit Gas gespült werden, werden die genannten Nachteile vermieden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffelement aus einem nachfüllbaren Gasreservoir mit einem zwischen zwei Werten schwankenden Betriebsdruck gespeist wird und daß jeweils dann, wenn der Druck im Gasreservoir den unteren Wert erreicht, das Brennstoffelement während der Nachfüllperiode des Gasreservoirs kurzzeitig aus einem Hilfsgasreservoir einem Gasdruck ausgesetzt wird, der höher als der obere Wert des Betriebsdruckes 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 der Gaszufuhr grundsätzlich vor der Konversion in elektrische Energie in Form mechanischer Arbeit direkt dem Gassystem entnommen werden kann.

An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Gasdruckes.

In der Anordnung gemäß F i g. 1 ist die Elektrode des Brennstoffelementes über je ein Auslaßventil mit dem Gasreservoir und einem Hilfsgasreservoir ver-

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bunden, die ihrerseits über je ein Einlaßventil mit Gas konstanten Druckes gespeist werden, wobei der Speisedruck des Hilfsgasreservoirs höher als derjenige des Gasreservoirs ist. Normalerweise sind das Auslaßventil des Gasreservoirs und das Einlaßventil 5 des Hilfsgasreservoirs geöffnet, während der Nachfüllperiode dagegen sind das Einlaßventil des Gasreservoirs und das Auslaßventil des Hilfsgasreservoirs geöffnet. Hierbei sind die Ventile durch einen in der Gasleitung zur Elektrode des Brennstoffelementes liegenden Druckfühler gesteuert.

Mit E ist die Elektrode des Brennstoffelementes bezeichnet, an welche über die Leitung L das Brenngas geführt ist. Mit G₁ ist das die Elektrode über das Auslaßventil F₂ speisende Gasreservoir bezeichnet, dessen Gasdruck zwischen den Werten p₂ und p_a schwanken soll. Die Drücke p₂ und p₃ sind hierbei die oberen 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.

Das Gasreservoir G₁ ist über das Einlaßventil F₁ mit Gas konstanten Druckes nachfüllbar. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch Anschluß des Ventils F₁ an ein Druckreduktionsventil F₅, das seinerseits von der auf einem höheren Druck p₀ stehenden Gasversorgungsanlage G₀ gespeist ist. Das Reduktionsventil F₅ reduziert den Druck p₀ auf den Druck p₂, der dem oberen Wert des Betriebsdruckes des Gasreservoirs G₁ entspricht.

Die Elektrode E des Brennstoffelementes ist ferner über das Auslaßventil F₄ mit dem Hilfsgasreservoir G₂ verbunden, dessen Betriebsdruck zwischen den Werten P₁ und p₂ schwanken soll, wobei P₁ größer als p₂ ist. Das Hilfsgasreservoir G₂ ist demnach über das Einlaßventil F₃ mit Gas konstanten Druckes gespeist, zweckmäßigerweise ebenfalls mittels eines an die Gasversorgungsanlage G₀ angeschlossenen Druckreduktionsventils F₆, welches den Gasdruck p₀ auf den Wert P₁ reduziert.

In der Gaszuleitung L zur Elektrode E des Brennstoffelementes ist ein Druckfühler F vorgesehen, der die pneumatische Steuerung der Ventile V₁.. .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 F₂ des Gasreservoirs geöffnet und das Einlaßventil F₁ geschlossen ist. Gleichzeitig ist das Auslaßventil F₄ des Hilfsgasreservoirs geschlossen und sein Einlaßventil F₃ geöffnet. Das Gas strömt also unter stetig abnehmendem Druck zur Elektrode.

Sobald der Druck im Gasreservoir G₁ und damit in der Gasleitung L den unteren vorgeschriebenen Wert p₃ erreicht, spricht der Druckfühler F an und bewirkt zwecks Nachfüllen des Gasreservoirs G₁ das Öffnen des Einlaßventils F₁ und das Schließen des Auslaßventils F₂. Gleichzeitig wird das Einlaßventil F₃ des Hilfsgasreservoirs G₂ geschlossen und sein Auslaßventil F₄ geöffnet. Das Brenngas strömt nun unter einem höheren Druck P₁ als dem oberen Wert p₂ des Betriebsdruckes und verursacht eine Gasdurchspülung der Porenschläuche des Elektrodenkörpers.

Wenn der Druck im Hilfsgasreservoir G₂ auf den Wert p₂ abgesunken ist, spricht der Druckfuhler F erneut an und bewirkt das Schließen des Auslaß^- ventils F₄ des Hilfsgasreservoirs G₂ und das Öffnen des Auslaßventils F₂ des. Gasreservoirs G₁. Gleichzeitig wird durch Schließen des Einlaßventils F₁ das GaSrBsBrVOIrG₁ von der Gasversorgungsanlage G₀ getrennt und durch Öffnen des Einlaßventils F₃ das Hilfsgasreservoir G₂ erneut auf den Druck P₁ nachgefüllt.

In F i g. 2 ist der zeitliche Verlauf des Gasdruckes in der Leitung L dargestellt. Mit I ist hierin die Arbeitsperiode bezeichnet, während welcher die Elektrode des Brennstoffelementes mit dem Gasreservoir G₁ 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 oberste Betriebsdruck p₂ der Elektrode für den elektrochemischen Umsatz. Die Einstellung der gewünschten Periodenlängen kann leicht durch passende Abstimmung der Druck- und Volumenverhältnisse der beiden Gasreservoire G₁ und G₂ erfolgen.

Im folgenden soll die in F i g. 1 gezeigte Anordnung an Hand eines Zahlenbeispiels illustriert werden, wobei vorausgesetzt wird, daß die idealen Gasgesetze Gültigkeit haben und daß die toten Volumina sowie die Druckabfälle in den Gasleitungen zwischen den Ventilen F₂, F₄ und der Elektrode E vernachlässigt werden können.

Der der Elektrode E zu entnehmende maximale Strom betrage 25 A, was bei einer Stromdichte von 100 mA/cm² eine Elektrodenfläche von 250 cm² bedeutet. Die Elektrode werde mit einem oberen Druck p₂ von 3 at und einem unteren Druck p₃ von 2,8 at betrieben. Zwischen diesen Werten schwankt demnach der Betriebsdruck des Gasreservoirs G₁. Die Gasversorgungsanlage G₀ steht auf einem höheren Druck p₀ von beispielsweise 5 at. Der Betriebsdruck des Hilfsgasreservoirs G₂ schwanke zwischen den Werten P₁ = 3,2 at und p₂ = 3 at.

Bei maximaler Belastung der Elektrode mit einem Strom von 25 A betrage die in F i g. 2 mit I bezeichnete Arbeitsperiode 2 Minuten = V30 Stunde, während die Spül- und Nachfüllperiode 4 Sekunden betrage. Der Anteil der wirksamen Betriebsperiode an der Gesamtzeit ist demnach im Fall der Maximalbelastung 120/124 = 97%. Bei geringer Belastung der Elektrode ist die wirksame Betriebsperiode natürlich länger.

Da nach dem Faradayschen Gesetz 11,2 Normalliter Wasserstoffgas einer Elektrizitätsmenge von 26,8 Ah entsprechen und im vorliegenden Beispiel während der Arbeitsperiode bei maximaler Belastung eine Elektrizitätsmenge von 5/6 Ah erzeugt werden soll, ist hierzu eine Gasmenge von 0,35 Normalliter erforderlich. Während der Spülperiode soll das Gas etwa mit doppelter Geschwindigkeit strömen, so daß zur Spülung der Elektrode eine Gasmenge von 0,023 Normalliter erforderlich ist. Die Gasausnutzung, d. h. der Anteil des umgesetzten Gases zur gesamten verbrauchten Gasmenge beträgt hierbei 0,35/0,373 = 93,5%.

Nach dem Boyle-Mariotteschen Gesetz ist demnach mit den obigen Werten G₁ (p₂ — p₃) = 0,35 Normalliter und G₂ (P₁ — P₂) = 0,023 Normalliter, wo G₁ und G₂ das Volumen des Gasreservoirs G₁ bzw. des Hilfsgasreservoirs G₂ bedeuten. Hieraus folgt, daß das Gasreservoir G₁ ein Volumen von 1,751 und das

Hilfsgasreservoir G₂ ein Volumen von 0,1151 haben muß.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden, die durch gesteuerte, kurzzeitige Erhöhung des Gasdruckes zeitweise mit Gas gespült werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffelement aus einem nachfüllbaren Gasreservoir mit einem zwischen zwei Werten schwankenden Betriebsdruck gespeist wird und daß jeweils dann, wenn der Druck im Gasreservoir den unteren Wert erreicht, das Brennstoffelement während der Nachfüllperiode des Gasreservoirs kurzzeitig aus einem Hilfsgasreservoir einem Gasdruck ausgesetzt wird, der höher als der obere Wert des Betriebsdruckes ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1018 946.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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