DE1264555B - Anlage zum Betrieb eines Brennstoffelementes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WTWMk PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

IntCL:

HOIm

Deutsche KL: 21b -14/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1264555
U9419VIb/21b

27. November 1962

28. März 1968

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Betrieb eines Brennstoffelementes durch Regelung der Zirkulation des Wasserstoffes, der dem Element im Überschuß zugeführt wird, mit einem Kühler, der den überschüssigen Wasserstoff und das durch die Reaktion entstandene Wasser aufnimmt, um dasselbe zu kondensieren, einem Abscheider, in welchem das Wasser entfernt wird, sowie einer Pumpe zur Aufrechterhaltung der Wasserstoffzirkulation und zum Zurückführen der Gase in die Wasserstoffversorgungsleitung.

Es sind bereits Betriebsanlagen für Brennstoffelemente bekannt, deren Wasserstoffzirkulation zum Abführen des durch die Reaktion entstehenden Wassers intermittierend unterbrochen wird, nämlich immer dann, wenn der Füllstand im Kühler eine bestimmte Höhe überschreitet. Es bildet sich dann zwischen dem Elektrolyten und dem Wasserstoff eine die Entleerung des Kühlers steuernde Druckdifferenz. Nachdem der Füllstand im Kühler auf einen bestimmten Mindestwert gesunken ist, schaltet die Pumpe die Wasserstoffzirkulation wieder ein. Diese bekannten Betriebsanlagen ermöglichen zwar eine automatische Abführung des Wassers aus dem Element, eine Temperaturregelung, um die Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten, ist jedoch nicht möglich. Eine Voraussetzung für das sichere Arbeiten der bekannten Anlagen ist, daß das Wasser sich im Kühler von dem Wasserstoff trennt.

Des weiteren sind Betriebsanlagen für Brennstoffelemente vorgeschlagen worden, bei denen zur Kühlung des Brennstoffelementes die Wasserstoffzirkulation jeweils dann in Betrieb genommen wird, wenn die Temperatur in dem Brennstoffelement einen bestimmten Wert erreicht hat. Durch diese Anlagen wird zwar eine wirkungsvolle Regelung der Temperatur in dem Brennstoffelement erreicht, wobei jedoch der Nachteil in Kauf genommen werden muß, daß dem Element mehr Wasserdampf entnommen wird, als unter normalen Arbeitsverhältnissen gebildet wird,, welches durch eine zusätzliche Vorrichtung wieder zugeführt werden muß. Durch diese zusätzliche Vorrichtung wird die gesamte Anlage ebenfalls bedeutend aufwendiger gestaltet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur automatischen Regelung der Temperatur des Brennstoffelementes zu schaffen.

Erfindungsgemäß weist die Betriebsanlage eine Umgehungsleitung für den Kühler auf, in der ein regelbares Durchflußventil angeordnet ist, das auf das Volumen des Elektrolyten anspricht.

Anlage zum Betrieb eines Brennstoffelementes

Anmelder:

United Aircraft Corporation,
East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Harold Russell Kunz, Vernon, Conn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. November 1961
(155 957)

Durch die Betätigung eines Ventils in einer Umgehungsleitung für den Kühler in Abhängigkeit des Elektrolytenvolumens ist es also möglich, sowohl die Temperatur des Brennstoffelementes auf einem bestimmten Wert zu halten und damit die Arbeitsbedingungen aufrechtzuerhalten als auch die Abführung des Wassers aus dem Element zu bewirken. Bei Anwendung des Elementes unter hohen Schwankungen der Umgebungstemperatur kann zur Konstanthaltung der Temperatur des Elementes zusätzlich zu der Temperatur des zurückgeführten Wasserstoffes auch noch die Menge des zurückgeführten Wasserstoffes geregelt werden. Bei einer solchen Anordnung zur Regelung der Menge des zurückgeführten Wasserstoffes kann eine Leitung vorgesehen sein, die das Brennstoffelement und den Kühler umgeht und in welcher ein regelbares Durchflußventil angeordnet ist, das auf die Zellentemperatur anspricht.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung erläutert.

Das Brennstoffelement 2 besitzt elektrische Leitungen 4 für die Leistungabgabe des Elementes. Es wird mit einem Oxydationsmittel unter Druck versorgt, das ihm aus einem Vorratsbehälter 6 durch eine Versorgungsleitung 8 zugeführt wird. Ebenso wird dem Element unter Druck ein Brennstoff aus einem Vorratsbehälter 10 durch eine Leitung 12 zugeführt. In der gezeigten Anordnung ist das Element ein Wasserstoff-Sauerstoffelement.

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Das Element ist so eingerichtet, daß ihm ein Über- überschüssigen Wasserstoffes, der durch das Element schuß an Brennstoff (Wasserstoff) zugeführt wird. hindurchzirkuliert. Wenn die Temperatur in dem Dieser Brennstoffiiberschuß wird dem Element Brennstoffelement also das gewünschte Maß überwieder durch die Auslaßleitung 14 entnommen. Der steigt, wird das Ventil 34 stärker geschlossen. Daüberschüssige Brennstoff nimmt die Reaktions- 5 durch wird diejenige Wasserstoffmenge vermindert, produkte des Elementes mit, die in diesem Fall die dem Pumpeneinlaß wieder zugeführt wird, und Wasserdampf sind. Der überschüssige Wasserstoff diejenige Wasserstoffmenge erhöht, die dem Element und der Wasserdampf in der Leitung 14 gehen durch durch die Versorgungsleitung 12 zufließt. Dieses einen Kühler 16 hindurch, in dem der Wasserstoff Größerwerden der Wasserstoffmenge erniedrigt die und der Wasserdampf abgekühlt werden und in dem io Brennstoffelementtemperatur sehr wirksam, der Wasserdampf zumindest teilweise in flüssiger Wenn das Ventil 34 so verstellt wird, daß der Form kondensiert wird. Der kondensierte Wasser- Durchfluß durch dieses Ventil kleiner wird, so steigt dampf scheidet sich jedoch nicht aus dem Wasser- der Druck oberhalb des Ventils (in Strömungsstoffgas ab, insbesondere dann nicht, wenn die An- richtung gesehen) notwendigerweise leicht an. Daläge in einem Raumfahrzeug betrieben wird. Viel- 15 durch wird auch der Wasserstoffdruck am Einlaß des mehr wird der kondensierte Wasserdampf, also das Brennstoffelementes und damit die Wasserstoffmenge Wasser, im Wasserstoffgas in der Form kleiner größer, die durch das Element hindurchgeht. Wenn Tröpfen oder von Nebel in der Schwebe gehalten. aber zusätzliches Wasserstoffgas durch das Element Aus dem Kühler wird der Wasserstoff und das hindurchströmt, kann das Wasserstoffgas mehr Wasser durch eine Leitung 18 einer Stufe 20 zu- 20 Wärme aufnehmen, so daß die Elementtemperatur geführt, die aus einer Pumpe und aus einem Ab- notwendigerweise niedriger wird, scheider besteht. Dieser Abscheider kann bekannt Weiterhin kann das überschüssige Wasserstoffgas aufgebaut sein, beispielsweise als Zentrifugal- nur eine ganz bestimmte Menge von Wasserdampf abscheider. mit sich abtransportieren, das zusätzliche Wasser-Der Abscheider entfernt das flüssige Wasser aus 35 stoffgas nimmt jedoch ebenfalls noch eine zusätzdem Wasserstoff. Dieses Wasser wird durch eine liehe Wasserdampfmenge mit sich. Da ein An-Leitung 22 abgeführt. Der Wasserstoff wird aus der wachsen der Wasserstoffmenge, die durch das Pumpe und dem Abscheider durch eine Leitung 24 Element strömt, die Menge des aus dem Element abwieder der Wasserstoffversorgungsleitung 12 züge- geführten Wassers vergrößert, wird sich dadurch der führt. Diese Pumpe kann ein übliches Gebläse sein, 30 Faltenbalg 30 ausdehnen und das Ventil 28 öffnen, also beispielsweise ein bekanntes Zentrifugalgebläse, Dadurch wird die Menge des im Kühler kondensierdas zusammen mit dem Abscheider rotiert. ten Wassers verkleinert und damit die Menge des Um die Betriebstemperatur des Brennstoffelemen- Wassers, die von dem überschüssigen Wasserstoff tes zu regem und um eine entsprechende Abnahme abgeführt wird, ebenfalls kleiner. Da das öffnen des des Wasserdampfes zu gewährleisten, der sich wäh- 35 Ventils 28 die Strömung vergrößert, die den Kühler rend des Elementbetriebes bildet, enthält die Anlage umgeht und dadurch eine geringere Kühlung bewirkt, für den Kühler 16 eine Umgehungsleitung 26. In wird der zirkulierende Wasserstoff weniger gekühlt dieser Umgehungsleitung ist ein Ventil 28 eingesetzt. und nicht mehr in der Lage sein, eine entsprechende Dieses Ventil 28 wird von einer Vorrichtung 30 be- Wärmemenge abzuführen. Das bedeutet aber, daß tätigt, die auf das Volumen des Elektrolyten an- 40 das Ventil 34 etwas später wieder geschlossen wird, spricht. Die Vorrichtung 30 ist innerhalb des Brenn- Mit dem Anwachsen der Wasserdampfmenge im Stoffelementes angeordnet und mit dem Ventil 28 . Wasserstoff — der Wasserdampf kondensierte ja in durch eine Leitung 31 verbunden. Die Vorrichtung dem Kühler nicht vollständig — kann der zirku-30 ist hier als ein Federbalg gezeigt. Sie ist so ^in- lierende, überschüssige Wasserstoff nur noch eine gerichtet, daß sie bei einer Vergrößerung Hes 45 geringere Wasserdampfmenge aufnehmen, so daß Elektrolytvolumens innerhalb des Elementes auf der Elektrolytfüllstand sich wieder auf die geGrund einer Wasseransammlung, wodurch das wünschte Höhe einstellt.

Volumen größer wird, zusammengedrückt wird und Zum Schluß soll noch beschrieben werden, welche dabei dazu neigt, das Ventil 28 zu schließen. Wenn Drucke und Temperaturen an einigen Stellen wähauf der anderen Seite der Elektrolyt in dem Element 50 rend des Betriebes der Anlage herrschen. Für den weniger wird, wird sich der Federbalg ausdehnen Betrieb der Brennstoffelemente können die Tempera- und das Ventil weiter öffnen. Dadurch wird die tür- und Druckbereiche innerhalb verhältnismäßig Größe der Strömung erhöht, die an dem Kühler weiter Grenzen gewählt werden. Ein Brennstoffvorbeiströmt. Je größer die Strömung ist, die an dem element, das zusammen mit einem System der hier Kühler vorbeiströmt, desto weniger Wasser wird 55 beschriebenen Art betrieben wurde, war ein Brennoffensichtlich kondensiert und desto weniger Wärme Stoffelement nach »Bacon«. In diesem Element wefdem gasförmigen Wasserstoff entzogen. den poröse Elektroden benutzt, und als Elektrolyt Zusätzlich zu dem Ventil 28, das auf eine Ände- wird Kalilauge verwendet. In der dargestellten Anrung der Elektrolytmenge in dem Element anspricht, Ordnung kann das Element beispielsweise unter besitzt die Anlage eine Nebenschlußleitung 32, die 60 einem Druck von 4,2 kg/cm² und bei einer Temperadas Brennstoffelement 2 und den Kühler 16 umgeht. tür von etwa 260° C arbeiten. Unter diesen Betriebs-In die Leitung 32 ist ein Ventil 34 eingesetzt, dessen bedingungen ergibt sich eine Leistungabgabe von Stellung als Funktion der Brennstoffelementtempera- 1075 Watt pro Quadratmeter Elektrodenfläche, wenn tür geändert wird. Das läßt sich beispielsweise durch man Sauerstoff und Wasserstoff mit Zimmerein Thermoelement 36 durchführen, das innerhalb 65 temperatur von etwa 21° C zuführt und als Elektrolyt des Elementes angeordnet ist und mit dem Ventil 85%ige Kalilauge verwendet. Das umlaufende durch eine Leitung 38 verbunden ist. Die Stellung Wasserstoffgas, das sich in der Leitung 12 mit des Ventils 34 regelt offensichtlich die Menge des Wasserstoffgas aus dem Vorratsbehälter mischt, er-

höht die Temperatur des Wasserstoffgases am Eintritt in das Element auf etwa 38° C. Die Temperatur des Wasserstoffgases sowie des Wasserdampfes liegt beim Verlassen des Elementes bei etwa 232° C. Diese Gas- bzw. Dampftemperaturen werden im Kühler auf etwa 49° C erniedrigt. Während des Durchganges des Gases durch das Element und durch den Kühler tritt nun ein merklicher Druckverlust auf. Dieser Druckverlust wird nun durch die Pumpe in der Abscheider-Pumpen-Kombination wieder ausgeglichen, die den Gasdruck wieder auf einen Wert erhöht, der etwas über dem Elementdruck von 4,2 kg/cm² liegt. Die Drucke in den Vorratsbehältern 6 und 10 werden auf einen Wert eingestellt, der gerade um so viel über dem Element- *5 druck von 4,2 kg/cm² liegt, daß der Druckverlust in den Leitungen zum Element überwunden bzw. ausgeglichen werden kann.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anlage zum Betrieb eines Brennstoffelementes durch Regelung der Zirkulation des Wasserstoffes, der dem Element im Überschuß zuge-

20 führt wird, mit einem Kühler, der den überschüssigen Wasserstoff und das durch die Reaktion entstandene Wasser aufnimmt, um dasselbe zu kondensieren, einem Abscheider, in welchem das Wasser entfernt wird, sowie einer Pumpe zur Aufrechterhaltung der Wasserstoffzirkulation und zum Zurückführen der Gase in die Wasserstoffversorgungsleitung, gekennzeichnet durch eine Umgehungsleitung (26) für den Kühler (16), in der ein regelbares Durchflußventil (28) angeordnet ist, das auf das Volumen des Elektrolyten anspricht.

2. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Leitung (32), die das Brennstoffelement (2) und den Kühler (16) umgeht, in der ein regelbares Durchflußventil (34) angeordnet ist, das auf die Zellentemperatur anspricht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1067 490.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1183 563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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