DE1496330C3 - Druckgasbetätigte, belastungsabhängige Pumpe zur Umwälzung von Gasen und Flüssigkeiten in Brennstoffelementen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine druckgasbetätigte, belastungsabhängige Pumpe zur Umwälzung von Gasen und Flüssigkeiten in Brennstoffelementen, die zwei durch eine Zwischenwand getrennte Zylinder enthält, in denen ein aus einer Kolbenstange und zwei Kolben bestehendes axial verschiebbares Doppelkolbensystem vorgesehen ist.

Es sind Pumpensysteme der verschiedensten Ausführungsformen bekannt, mit denen Betriebsstoffe umgewälzt werden. So wird in der DT-PS 837 279 eine Vorrichtung zur Vergasung von Brennstoffen unter Druck beschrieben, in welcher jeweils ein bei höherem Druck arbeitender Gaserzeuger einem bei niedrigerem Druck arbeitenden Gaserzeuger vorgeschaltet ist. Zwischen beiden Gaserzeugern ist eine Turbine vorgesehen, welche unter Ausnutzung der Entspannungsenergie der Gase einen Kompressor betreibt. Mit dem Kompressor kann für die Verbrennung notwendige Luft verdichtet werden. Aus der DT-PS 871 691 ist eine Kolbenpumpe bekannt, welche von Druckluft getrieben eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, fördert. In dieser Vorrichtung liegen zwei Tauchkolben symmetrisch zu einem Scheibenkolben mit diesem auf einer gemeinsamen Kolbenstange. Der Scheibenkolben läuft in einem Antriebszylinder unter der Wirkung von Druckluft und betreibt so die flüssigkeitsfördernden Tauchkolben.

In der FR-PS 1 039 746 wird ein Pumpensystem zur Förderung von Flüssigkeiten beschrieben, welches von einer unter konstantem Druck stehenden Flüssigkeit angetrieben wird. Das Pumpensystem besteht aus zwei auf einer gemeinsamen Kolbenstange befestigten Scheibenkolben, die in zwei getrennten Zylindern arbeiten. Dabei trennt jeder Scheibenkolben den Zylinderraum in zwei Kammern für die Arbeits- und die Förderflüssigkeit, Regelvorrichtungen sorgen für einen phasengerechten Betrieb der beiden Kolbenpumpen.

Bei Brennstoffzellen ist eine Umwälzung der Betriebsstoffe, beispielsweise des Elektrolyten, erforderlich; dabei sorgen elektrisch betriebene Pumpen für einen kontinuierlichen Betrieb.

Vom Brennstoffzellenaggregat muß die Antriebsenergie für die Umwälzungspumpe aufgebracht wer den. Auf diese Weise wird die Nutzleistung des Systems vermindert.

Bei Brennstoffzellen, welche mit gasförmigen Brennstoffen arbeiten, geht zusätzlich die Kompressionsenergie der unter Druck stehenden Gase verloren.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine einfach und zuverlässig arbeitende Umwälzungspumpe für die Betriebsstoffe von Brennstoffzellen zu entwickeln. Diese Pumpe soll in ihrer Leistung dem jeweiligen Bedarf der ίο Brennstoffzelle angepaßt sein. Die für den Betrieb der Pumpe notwendige Antriebsenergie soll aus der Kompressionsenergie der unter Druck stehenden Betriebsgase gewonnen werden. Damit soll außerdem gewährleistet werden, daß der Verbrauch an Betriebsgasen die Förderleistung der Pumpen bestimmt.

Diese Aufgabe wird mit einem Doppelkolbensystem dadurch gelöst, daß dessen innere Kolbenflächen einen durch die Zwischenwand des Zylinders geteilten Elektrolytraum bilden und daß jeder Gasraum über eine Gaszuleitung und eine Gasableitung durch ein von der Kolbenstange steuerbares Gasumschaltventil abwechselnd mit den Druckgasflaschen und dem Brennstoffelement verbunden ist, und daß jeder Teil des Elektrolytraumes über ein Einlaßventil mit dem Elektrolyteinlaß der Brennstoffzelle verbunden ist.

Nachfolgend wird das aufeinander abgestimmte Zusammenwirken der Elemente einer gasgetriebenen und als Doppelkolbenpumpe ausgestalteten Umwälzpumpe erläutert. Je eine Hälfte der beiden Zylinder ist über ein durch die Bewegung des Doppelkolbens gesteuertes Ventil entweder mit dem Gasdruckbehälter oder mit dem Brennstoffelement verbunden. Die beiden anderen Zylinderhälften sind über je zwei Ventile mit einem Elektrolyt- bzw. Gassammelbehälter und mit dem Elektrolyt- bzw. Gasraum des Brennstoffelementes verbunden.

Die Umwälzpumpe muß so ausgelegt sein, daß die maximale Durchflußmenge den Gasverbrauch der angeschlossenen Elemente nicht überschreitet, da die Pumpe kein Gas verbraucht, sondern es lediglich mit vermindertem Druck an das Brennstoffelement weitergibt.

Eine gasbetriebene Umwälzpumpe ist in der Zeichnung schematisch wiedergegeben. Sie besteht aus

45. einem Doppelzylinder 1, in dem die Kolben 2 und 2' miteinander durch eine Kolbenstange 3 verbunden sind. In den inneren Räumen befindet sich die Lauge, in den äußeren das Gas. Zwei Kugelventile 14 und 15 sind so angeordnet, daß sie sich jeweils nur beim Ansaugen öffnen, während die Ventile 16 und 17 sich jeweils nur beim Ausstoßen öffnen. Die Ventile 14 und 15 sind mit dem Laugebehälter 4 durch eine Leitung verbunden. Die an die Ventile 15 und 16 angeschlossenen Leitungen gehen zum Brennstoffelement 18 und versorgen dieses ohne merkliches Pulsieren mit Lauge. Das mit den Gasflaschen verbundene Umsteuerventil 9 gibt abwechselnd auf die Leitungen 5 und 6 Gasdruck, so daß die Kolben in hin- und hergehende Bewegung gebracht werden. Gleichzeitig gibt das Ventil 9 dem jeweils nicht arbeitenden Pumpengasraum durch die Leitungen 7 bzw. 8 den Auslaß zum Brennstoffelement frei. Der Umsteuerhebel 11, und somit das Ventil 9, werden durch den Bügel 10, welcher die Hubbewegungen mitmacht, umgesteuert. Der Hebel 11 muß kurz vor jeder Endstellung voreilend sein (überspringen), damit die Pumpe in keiner Stellung zum Stillstand kommen kann, solange das Element Gas verbraucht.

Das hinter den Gasflaschen 13 angebrachte Druck-

minderventil 12 muß soviel Druck weitergeben, daß das Brennstoffelement bei jedem Hub der Pumpe das Gas aus dem Auslaß mit dem erforderlichen Betriebsdruck erhält. Außerdem muß gleichzeitig der Strömungswiderstand der Lauge im Element überwunden werden. Bei einem Druck, der gerade den Strömungswiderstand der Lauge kompensiert und dem Betriebsdruck des Gases entspricht, steht die Pumpe bei Vernachlässigung der Eigenreibung gerade noch still; sie fängt langsam an zu arbeiten, sobald sich der Gasdruck im gegenüberliegenden Zylinder durch den Verbrauch des Brennstoffelementes verringert

Daraus läßt sich ersehen, daß sich die Pumpe von selbst regelt. Je nach der Stromentnahme und somit dem Gasverbrauch richtet sich die Hubzahl. Wird kein Strom entnommen, hört auch die Pumpe auf zu arbeiten. Das ungenutzte Druckgefälle zwischen Gasflaschen und Brennstoffelement ist erheblich. Eine frisch gefüllte Gasflasche steht unter einem Druck von etwa 200 atü, während im Brennstoffelement je nach Konstruktion etwa 0,2 bis 1,5 atü benötigt werden.

Im Bedarfsfall können mehrere Pumpen hintereinandergeschaltet werden. Auch kann man das zweite Gas zum Antrieb der Umwälzpumpe benutzen, oder statt des Elektrolyten das zweite Gas im Umlauf führen. Das ist besonders dann vorteilhaft, wenn als zweites Gas Luft verwendet wird oder wenn man vermittels eines Gasumlaufes im Gas enthaltene Anteile des Reaktionswassers entfernen will.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Druckgasbetätigte, belastungsabhängige Pumpe zur Umwälzung von Gasen und Flüssigkeiten in Brennstoffelementen, die zwei durch eine Zwischenwand getrennte Zylinder enthält, in denen ein aus einer Kolbenstange und zwei Kolben bestehendes axial verschiebbares Doppelkolbensystem vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dessen innere Kolbenflächen einen durch die Zwischenwand des Zylinders (1) geteilten Elektrolytraum bilden, und daß jeder Gasraum über eine Gaszuleitung (5/6) und eine Gasableitung (8/7) durch ein von der Kolbenstange (3) steuerbares Gasumschaltventil (9) abwechselnd mit den Druckgasflaschen (13) und dem Brennstoffelement (18) verbunden ist, und daß jeder Teil des Elektrolytraumes über ein Einlaßventil (15/14) mit dem Elektrolytsammelbehälter (4) und über ein Auslaßventil (16/17) mit dem Elektrolyteinlaß der Brennstoffzelle (18) verbunden ist.