DE1671963A1

DE1671963A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE1671963A1
Application number: DE19681671963
Authority: DE
Inventors: Sanderson Robert Anthony
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1967-02-15
Filing date: 1968-01-31
Publication date: 1972-03-09
Also published as: GB1200022A; CH492311A; SE354945B; US3507702A; FR1583419A

Description

Dr. ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. 8ERKENFELD, Patentanwalts, ΚδΙη Anlag· AM«nz«idi«n

zur Eingab, vom ^O. Januar I968 Sch// Nam.d.Anm. UNITED AIRCRAFT CORPORATION

Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zur elektrochemischen Erzeugung von Elektrizität direkt aus einem Brennstoff und einem Oxydationsmittel. Die Erfindung ist insbesondere auf ein kompaktes System gerichtet, das mit Umgebungsluft über den vollen Belastungsbereich des Systems betrieben werden kann, und zwar bei Umgebungstemperaturen, die sich von -42,8 C 51,5°C erstrecken, und bei irgendeiner relativen Luftfeuchtigkeit, die 0 - 100# beträgt.

Eine Brennstoffzelle von der Art, auf welche sich die Erfindung bezieht, erzeugt eine elektromotorische Kraft, indem dieselbe ein Oxydationsmittel und einen Brennstoff mit zwei entsprechenden Elektroden und einem Elektrolyten in Berührung bringt. Ein Brennstoff, wie z.B. gasförmiger Wasserstoff, wird bei einer Elektrode eingeführt, an welcher dsrselbe mit dem Elektrolyten elektrochemisch reagiert, um auf die Brennstoffelektrode Elektronen izu übertragen. Gleichzeitig wird ein Oxydationsnlttel, wie z.B. Luft, bei der zweiten Elektrode eingeführt, an welcher dieselbe mit dem Elektrolyten elektrochemisch reagiert, um an der Oxydationimittelelektrode Elektronen zu verbrauchen. Dl«

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Verbindung der beiden Elektroden durch einen äußeren Stromkreis bewirkt, dafl in dem Stromkreis ein elektrischer Strom fließt und elektrische Kraft aus der Zelle abgezogen wird. Die Gesamtreaktion der Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie, welche die Summe der getrennten Reaktionen der Zellenhälften ist. Es wird ein Nebenprodukt der Reaktion gebildet, sowie etwas Wärme entwickelt.

Es wurden die im Handel erhältlichen Brennstoffzellen vorgeschlagen, in welchen zahlreiche Brennstoffzelleneinheiten miteinander verbunden sind, um eine Batterie zu bilden, welche Elektrizität mit verschiedenen Spannungen und Stromstärken liefern kann. Um praktisch verwendbar zu sein, muß die Batterie jedoch zumindest für manche Erfordernisse kompakt und aus leichten Materialien hergestellt sein. Außerdem 1st es wünschenswert, daß die Zelle Luft als Oxydationsmittel an Stelle von reinem Sauerstoff verwendet, und zwar sowohl von wirtschaftlichem Standpunkt, als auch um die Zusatzeinrichtung für die Zuführung des Sauerstoffs zu den Zellen zu ersparen. Schließlich muß eine Zelle in verhältnismäßig extremen Temperaturbereichen und im wesentlichen bei jeder relativen Luftfeuchtigkeit betrieben werden können.

Die Verteidung von Luft und die Notwendigkeit des Betriebes in weiten Temperaturbereichen und relativen Feuchtigkeitabereichen ergibt ernstliohe Probleme. Wenn ein aus wässrigem Alkali oder einem anderen Carbonat gebildet«· Elektrolyt verwendet wird, nuS das Kohlendioxyd entfernt werden, um das Versehmitzen des Elektrolyten und der ganzen Zelle zu verhindern. Vmtin Umfebungeluft

in eine Zelle entweder in kalten, trockenen Gebieten oder in heißen,feuchten Gebieten eingeführt wird, kann überdies die richtige Feuchtigkeit und Betriebstemperatur der Zelle nicht aufrechterhalten werden. In kalten, trockenen Gebieten entzieht beispielsweise die Umgebungsluft dem Elektrolyten Wasser. In Zellen, die einen eingeschlossenen Elektrolyten verwenden, d.h. in welchen der Elektrolyt in einer Matrize zurückgehalten wird, kann das Austrocknen der Matrize einen Leistungsabfall verursachen, der auf eine Verschiebung der Berührungsfläche zwischen Elektrolyt und Gas innerhalb der Elektroden oder auf eine Beschädigung infolge übermäßiger Erhitzung zurückzuführen ist. Überdies verringert der Wasserentzug aus dem Elektrolyten die Wirksamkeit der Zelle, indem die elektrolytische Leitfähigkeit vermindert und die Neigung zum Gasüberschlag in der Zelle erhöht wird. Wenn die relative Feuchtigkeit hoch ist, nimmt die Feuchtigkeit der Zelle zu und kann ein Überfluten der Elektrode bewirken.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität direkt aus einem Brennstoff und Luft in einem Brennstoffzellensystem, das mit einem Brennstoff und Luft betrieben wird bei Umgebungstemperaturen, die sich von -42., 8⁰C 51,5°C erstrecken, und bei relativen Luftfeuchtigkeiten, die 0 - 100$ betragen.

Jn dem BrennstoffZeilensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Luft vorher konditioniert, bevor sie mit den Elektroden der Zelle in Berührung gebracht wird, und das Kohlendioxyd wird aus der Umgebungsluft entfernt, um einen wirksameren Betrieb der

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Brennstoffzelle zu erhalten, wenn ein von einem Carbonat gebildeter Elektrolyt verwendet wird.

Außerdem wird die Abwärme der Zelle abgeführt, indem ein Kühlmittel, wie z.B. Äthylenglykol, im Zellenstapel in Umlauf gesetzt wird, und die Abführung des als Nebenprodukt der Zelle gebildeten Wassers wird ergänzt durch die Luftströmung, sowie die Feuchtigkeit und Temperatur des Brennstoffzellensystems.

Das Brennstoffzellensystem weist demgemäß eine wirksame Einrichtung zur Abführung von Wärme und Wasser auf, die von der Umgebung oder Belastung unabhängig ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter besonderer Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Die erwähnten und zusätzliche Merkmale werden erreicht Verwendung einer Brennstoffzelleneinheit, welche als Untereinheiten umfaßt:

a) kompakte Wasserstoff/Luft-Brennstoffzellenstapel,

b) eine Kühlschleife,

c) ein Zuführungssystem für die Verfahrensluft und

d) ein Steuersystem für die Wasserstoffströmung.

Die genannten Untereinheiten sind derart ausgebildet und miteinander ein (Janzes bildend angeordnet, daß sie die Temperatur- und Peuchtigkeitsbedingungen innerhalb der Zelle wirksam regeln, wenn dieselbe bei Umgebungstemperaturen betrieben wird, die sich

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von -42,8⁰C - 51,5°C erstrecken, und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit, die 0 - 100$ beträgt.

Die in diesem System verwendete kompakte Luft/Brennstoffzelle weist zwei leichte Elektroden auf, die durch einen Ionen leitenden Elektrolyten getrennt sind. Die einzelnen Zellen sind durch Metallkühlungsplatten voneinander getrennt, welche Durchlässe für die Kühlmittelströmung bilden. Die Kühlungsplatten bilden zusammen mit der angrenzenden Elektrode Strömungsdurchlässe für das Reaktionsgas zu den Elektroden. Vorzugsweise berühren die Kühlungsplatten die Elektroden $ und dienen als Stromsammler. Eine Vielzahl von Zellen, beispielsweise mehr oder weniger als 12, sind in Reihe miteinander verbunden, um einen Zellenstapel zu bilden. Vorzugsweise befinden sich alle Verteiler- und elektrischen Verbindungen innerhalb des Stapels. Um die richtige abgegebene Leistung zu erreichen, können erforderlichenfalls mehrere Stapel in Reihe oder parallel miteinander verbunden werden.

Beim Betrieb des Systems wird der Zelle Wasserstoff zugeführt, der aus einem Druckbehälter oder direkt aus einem Umwandler kommen kann, In welchem ein wasserstoffhaltiges Material, wie z.B. Kohlenwasserstoff oder Ammoniak, zerlegt wird, um Wasserstoff und Nebenprodukte zu erzeugen. In der Brennstoffleitung ist ein den Wasserstoff regelndes Druckventil angeordnet, um die Strömung des Wasserstoffs zu den Zellenstapeln in Abhängigkeit von den Belastungsbedingungen zu regeln. Wenn eine Quelle reinen Wasserstoffs verwendet wird, kann der Gasdurchlass ein blindes

Ende innerhalb der Zelle aufweisen. Wenn unreines Wasserstoffgas

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verwendet wird, können die Verunreinigungen aus dem Stapel durch Entlüftungsöffnungen abgeführt werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Zellensystem sind die Aufgaben der Abführung von Wärme und Wasser voneinander getrennt. Die Abführung der Abwärme aus den Stapeln wird mittels einer Kühlschleife bewirkt. Als Kühlmittel wird vorzugsweise ein Gemisch von Glykol und Wasser verwendet, obwohl auch andere dielektrische Kühlmittel, wie z.B. Silikonöle oder Fluorkohlenstoffe, verwendet werden können. Die Kühlschleife umfaßt eine Motorpumpe für das Kühlmittel, einen Wärmeaustauscher, die Kühlungsplatten der Zelle, ein Umgehungsventil, das mit dem Luftsättiger fest verbunden ist, einen durch Druckluft gekühlten Radiator und ein Umgehungsventil für den Radiator. Das Kühlmittel tritt in die Zelle ein und geht durch die Kühlmitteldurchlässe hindurch, in welchen das Kühlmittel die nutzbare Wärme absorbiert und hierauf aus der Zelle abgeführt wird. Das Kühlmittel wird dann in den Druokluftradiator gepumpt. Während seines Weges zum Radiator wird das Kühlmittel jedoch zum Luftsättiger gelenkt, In welchem ein Teil der Abwärme der Zelle zum verdampfen des Wassers verwendet werden kann, um die Verfahrensluft zu konditionieren. Die Kühlmittelströmung zum Luftsättiger wird durch ein Umgehungsventil geregelt, welches diese Strömung abtastet. Dadurch, daß das heiße Kühlmittel aus der Zelle in den Sättiger gelenkt wird, wird die Austrittstemperätur der Luft aus dem Sättiger auf der richtigen Höhe gehalten. Aus dem Sättiger stfcömt das Kühlmittel in den durch Druckluft gekühlten Radiator, in welchem der Rest der Abwärme an die Außenluft abgegeben wird. Die Regelung der Wärmeabgabe durch den Radiator wird wieder durch ein Umgehungsventil

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bewirkt, welches die Einlaßtemperatur der Pumpe abtastet und die richtige Temperatur aufrechterhält, indem die Kühlmittelströmung rund um den Radiator geleitet wird. Das Kühlmittel wird dann in den Verteiler der Zelle gepumpt, wodurch die Schleife geschlossen ist.

Das Luftzuführungssystem dient dem doppelten Zweck, den für die Zellenreaktion wesentlichen Sauerstoff zuzuführen und das als ein Nebenprodukt der Zellenreaktion gebildete Wasser abzuführen. Das System umfaßt ein Filter, eine aus einem Luftkompressor und einer Motorpumpe bestehende Einheit, ein Bodenventil, einen Luftsättiger, einen Kohlendioxydwäscher und einen Luftverteiler für die Zelle. Die Luft wird der Umgebung entnommen, durch das Filter geleitet und von der Kompressor- Pumpeneinheit komprimiert. Die Pumpe liefert eine konstante Strömung gefilterter Luft. Es wird daher ein Bodenventil verwendet, um automatisch die Luftmenge zu regeln, die dem Sättiger zur späteren Verwendung in der Zelle zugeführt wird, je nach den Erfordernissen der Zelle für die zur Einwirkung kommende besondere Belastung. Der in den Brennstoffzellen zu verwendende Teil der Luft wird in den Sättiger gelenkt, in welchem derselbe erhitzt und vor dem Eintritt in den Kohlendioxydwäscher auf die richtige Temperatur und Feuchtigkeit gebracht wird. Wie bereits erwähnt, werden die Wärme für den Sättiger und die Regelung der Austrittsbedingungen der Luft aus dem Sättiger über den Bereich der Belastungen und Umgebungsbedingungen durch den Kühlmittel- Wärmeaustauscher und das Umgehungsventil der Kühlschleife geliefert. Nach dem Durchgang durch den Kohlendioxydwäschy wird die gesättigte, kohlend!oxyd-freie Luft durch die Zellen gepumpt, wodurch Sauerstoff für die Reaktion zugeführt wird. Überschüssige Luft wird aus dem System abgeführt

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und nimmt das als Nebenprodukt der Zelle gebildete Wasser mit. Die Wassermenge, welche die Luft aus der Zelle abführt, wird durch die Feuchtigkeit der Luft bestimmt, die der Zelle zugeführt wird, sowie durch die Strömungsgeschwind^ceit, welche durch das Bodenventil geregelt wird.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, sieht die vorliegende Erfindung ein zweckmäßiges elektrisches Versorgungssystem vor, das praktisch bei irgendeiner Temperatur oder Feuchtigkeit betrieben werden kann, ohne daß etie Veränderung der Leistung der Zelle auftritt. Außerdem kann die Belastung der Zelle innerhalb ihrer Kapazität abgeändert werden, ohne daß Spannungsregler, Einstelleinrichtungen oder dergleichen erforderlich sind. Überdies wird durch die kombinierte Wirkung der Befeuchtung der in die Brennstoffzelle eintretenden Luft und die Leitung der befeuchteten Luft über die Kathode (während gleichzeitig die nutzbare Wärme aus der Zelle abgeführt wird, indem angrenzend an die Reaktinnsgasdurchlässe ein Kühlmittel hindurchgeleitet wird) das als Nebenprodukt der Zelle gebildete Wasser unter gleichmäßigeren Elektrolytbedingungen abgeführt, d.h. dieses Wasser wird gleichmäßig über den ganzen Elektrolyt-Elektrodenbereich abgezogen, wodurch die Wirkungsweise der Zelle wesentlich verbessert wird.

Zur genaueren Beschreibung der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in welchen gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Strömungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung,

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Pig. 2 einen teilweisen Längsschnitt eines Brennstoffzellenstapels,

Pig.·5 einen Längsschnitt eines Luftvolumen-Steuerventils von der im Brennstoffzellensystem verwendeten Art,

Fig. 4 einen Längsschnitt eines Luftsättigers,

Fig. 5 einen Querschnitt des Sättigers nach der Linie - 5-5 der Pig. 4,

Fig. 6 einen Längsschnitt eines Kohlendioxydwäschers

von der im KraftzufUhrungssystem verwendeten Art.

In Fig. 2 ist ein Teil des aus 12 Zellen gebildeten Brennstoffzellenstapels 29 dargestellt. Jede Zelle weist eine Kathode 1, eine Anode 2 und einen aus einer wässrigen Alkalilösung bestehenden Elektrolyten auf, der in einer entsprechenden Matrize j5 enthalten ist. Jede Elektrode besteht aus einem Metalltragschirm oder -netz, das in inniger Berührung mit einer Katalysatorschicht steht, welche vorzugsweise aus einer Mischung eines Katalysators und eines hydrophoben Polymerbindemitteis besteht. Jede Elektrode wird gegen die Matrize angedrückt. Jede Zelle ist von der nächsten Zelle durch eine Kühlungsplatte 4 getrennt, wobei zwei solche Platten einen Kühlmitteldurchlaß 5 bilden. Die mit Vertiefungen versehene KUhlungsplatte wird in der Nähe jeder Vertiefung gegen die Elektrode angedrückt und dient daher als ein wirksamer Stromsammler. Sie bildet außerdem ein Mittel zum Leiten von Wärme parallel zu den Reaktionsgasdurchlässen.

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Die eine Kühlungsplatte und die Anode 2 bilden angrenzend an die Anode jeder Zelle einen Wasserstoffdurchlaß. Die andere Kühlungsplatte und die Kathode 1 bilden angrenzend an die Kathode jeder Zelle einen Luftdurchlaß j. Abstandsstücke und Dichtungsringe 8 trennen und isolieren die verschiedenen Teile voneinander. Der ganze Stapel wird durch Muttern und Bolzen 9 zusammengehalten, welche durch die Abstandsstücke und den Zellenrahmen hindurchgehen.

Bei der dargestellten Ausführungsform besteht der Tragschirm

ρ der Elektroden aus einem feinen Nickelnetz, das pro Zentimeter der Elektrodenfläche 10 mg Katalysator aufweist. Jede Elektrode

ρ
hat eine Fläche von 29 cm . Der Katalysator besteht aus 10 Teilen Platinmohr und 3 Teilen fein verteiltem Polytetrafluoräthylen. Der Katalysator und das Bindemittel werden innig gemischt, um eine Paste zu bilden, welche dann auf den Nickeltragschirm aufgewalzt und in denselben eingewalzt wird. Die Elektrode wird sodann erhitzt, um die Polymerteilchen aneinander und an den Metalltragrahmen zu binden. Die gesamte Zelle, welche die Elektrode, die den Elektrolyten enthaltende Matrize, Reaktinnsgasdurchlässe und Kühlmitteldurchlässe umfaßt, weist eine Teilung von 0,53 cm oder ungefähr 2,8 Zellen pro cm auf. Die 2älen werden vorher zusammengesetzt, wobei die Kühlungsplatte, die Elektroden und die Elektrolytmatrize einen Teil bilden, bevor der ganze Zellenstapel zusammengesetzt wird.

Das Kraftsystem, welches die vorgenannten Stapel verwendet, wird angelassen, indem den Zellen Umgebungsluft und Wasserstoff zugeführt wird. Ein Druckregler 10 liefert den Zellen auf Verlan-

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gen die richtige Strömung und den Druck des Wasserstoffs. Die Umgebungsluft tritt am Filter 20 in das System ein und strömt zur Kompressorpumpe 21, die mit Gleichstrom betrieben wird. Ein Kompressor mit einem verschiebbaren Flügel wird bevorzugt, da nur eine geringe Strömungsgeschwindigkeit und ein mäßiges Ansteigen der Saugwirkung erforderlich sind. Die Kompressorpumpe führt Luft mit einer konstanten Geschwindigkeit zu. Es wird ein Bodenventil 22 für die Verfahrensluft verwendet. Die Aufgabe des Bodenventils besteht darin, die Luftströmung durch das System einzustellen, wenn die Belastung der Brennstoffzelle verändert wird. Ein Ventil, das für diese Anwendung als besonders geeignet gefunden wurde, ist genauer in Fig. 3 dargestellt. Das Ventil besteht aus einem Gehäuse 30 mit einem Lufteinlaß Eine Vielzahl von vom Lufteinlaß entfernten Auslaß- oder Entlüftungsoffnungen 32 setzen das Innere des Gehäuses mit der Außenluft in Verbindung. Eine Trennwand 33 mit einem profilierten Ventilsitz 34 ist im inneren Hohlraum des Gehäuses zwischen dem Lufteinlaß 31 und den Entlüftungsoffnungen 32 angeordnet, um das Gehäuse in zwei Kammern von verschiedener Größe zu teilen. Die sich ergebende kleinere Kammer steht über die Entlüftungsöffnungen 32 mit der Außenluft in Verbindung. Innerhalb des Gehäuses ist ein profiliertes Ventil 35 mit einem länglichen Kolben 36 angeordnet und wird durch eine Zugfeder 37 in der Offenstellung gehalten. Die Feder ermöglicht die elastische Bewegung des profilierten Ventils aus der Offenstellung in die Schließstellung oder in Dichtungseingriff mit dem Ventilsitz 34, wenn die umschließende Solenoidwicklung 38 proportional zu einer zunehmenden Belastung des Zellenstapels erregt wird. Wenn die Belastung des Zellenstapels ein Minimum bet%gt, wird das Ventil durch die

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Feder 37 in der vollständig geöffneten Stellung gehalten und der größere Teil der von der Kompressorpumpe erzeugten Druckluft kann in die Außenluft entweichen. Wenn die Belastung des Stapels zunimmt, wird die Solenoidwicklung 38 mit zunehmender Stärke erregt und bewegt das profilierte Ventil j55 entsprechend der zunehmenden Erregung in die Schließstellung.

Die Luftströmung gelangt zum Luftsättiger 2j5, in welchem die Feuchtigkeit der Luft eingestellt wird. Der Sättiger bildet daher eine wirksame Einrichtung zur Wassergleichgewichtssteuerung der Brennstoffzelle im Bereich der erwarteten Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebung. Ein Dochtsättiger von der für die vorliegende Anwendung besonders wünschenswert befundenen Art ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Diese Art des Sättigers hat ein geringes Gewicht und gewährt der Luft freien Durchgang auch unter Kaltstaifcbedingungen, wenn das Wasser im Sättiger gefroren sein kann. Die die Kompressorpumpe verlassende Luft tritt daher am Einlaß 41 in den Sättiger ein und strömt durch eine Anzahl von parallelen Durchlässen 42, die von Aluminiumplatten 4^ begrenzt sind, welche mit einem (nicht dargestellten) absorbierenden Dochtmaterial überzogen sind. Das Wasser wird von dem Dochtmaterial in die Luftströmung verdampft. Die latente VerdäPpfungswärme wird erzeugt, indem das aus Glykol bestehende Kühlmittel in einer Anzahl von Kanälen innerhalb der Aluminiumplatten 4^ in Umlauf gesetzt wird. Das Wasser absorbierende oder Dochtmaterial, das mit den Außenwänden der Aluminiumplatten verbunden ist, erstreckt sich in einen Wasserbehälter 46 am Boden der Einheit. Eine Dichtung 47 bedeckt den Wasserbehälter, um zu gewährleisten, daß alle Dochte eine hinreichende Wasserzu-

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führung erhalten, wenn der Sättiger während eines längeren Zeitraumes aus seiner Normalstellung verschwenkt wird. Die Luft und das aus Glykol bestehende Kühlmittel werden im Sättiger im Gegenstrom geführt, um die höchst mögliche Verdampfungsgeschwindigkeit zu erzielen. Ein Umgehungsventil 24 für das Kühlmittel ist vorgesehen, um die dem Sättiger zugeführte Wärmemenge zu verringern, wenn die in den Sättiger eintretende Luft etwas Feuchtigkeit enthält. Das Umgehungsventil tastet die Temperatur der den Sättiger verlassenden Luft ab und stellt die Umgehungsströmung proportional zum Ansteigen der Lufttemperatur ein. Als Teil des Sättigers ist ein Wasserspeicherbehälter 48 mit einem Einlaß 49 vorgesehen, um die maximal mögliche Menge des Wassers des Sättigers zu speichern, die während einer bestimmten Betriebsperiode erforderlich sein kann. Das Wasser des Sättigers kann zur gleichen Zeit nachgefüllt werden, in welcher der Brennstoff dem Wasserstoffgenerator zugeführt wird. Der Sättiger läßt Luft in der oben angegebenen Weise bei Kaltstarts hindurchgehen und die Wärme des Kühlmittels hält die richtige Sättigungstemperatur aufrecht, um das Wasser am Gefrieren zu hindern, wenn die Umgebungstemperatur unter 0⁰C liegt.

Wenn Luft mit der richtigeni'euchtigkeit den Luftsättiger verläßt, strömt dieselbe in den Kohlendioxydwäscher 25. Dieser ist in das System eingeschlossen, um zu verhindern, daß Spuren von Kohlendioxyd in der Luftströmung in den Brennstoffzellenstapel eintreten. Wenn ein von einem Carbonat gebildeter Elektrolyt verwendet wird, wird Kohlendioxyd in der Luftströmung den Elektrolyten verunreinigen und die Wirksamkeit des ganzen Betriebes des Systems verringern. Wie Pig. 6 zeigt, strömt die durch cfein Ein-

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laß 61 in den Wäscher eintretende Luft durch ein mittleres Rohr 62 nach unten und dann durch ein Natronkalkbett 63 nach oben. Die gewaschene Luft tritt dann aus dem oberen Ende des Washers aus und strömt in die Zelle. Die Körner des Natronkalks im Wäscher verändern infolge des Vorhandenseins eines entsprechenden Anzeigers ihre Farbe von weiß in blau, wenn sie Kohlendioxyd absorbieren. Die Farbenveränderung wird auf der Vorderseite des Wäschers beobachtet., der ein Plexig^lsgehäuse aufweist, um den Zustand des Wäschers während des Betriebes betrachten zu können. Der Wäscher ist so ausgebildet, daß der Natronkalk ersetzt werden kann,indem der untere Teil 64 des Wäschegehäuses abgenommen wird. Auf diese Weise kann der Wäscher leiht instand gehalten werden, ohne daß die Rohrleitung der Anlage davon berührt wird.

Nachdem die Luft den Kohlendioxydwäscher verlassen hat, gelangt dieselbe in den Brennstoffzellenstapel 29 und wird durch einen (nicht dargestellten) Verteiler den einzelnen Brennstoffzellen zugeführt. Die Luft, welche in die Luftdurchlässe 7 eintritt, wird infolge der Einstellung der Feuchtigkeit der Umgebung im Sättiger die gewünschte Wassermenge durch die gasdurchlässige Kathode der Zelle sammeln, um den Wasserspiegel im Elektrolyten der Zelle konstant zu halten. Dadurch werden Probleme beseitigt, die in Brennstoffzellen auftreten, welche kompakte leichte Elektroden und Elektrolytmatrizen verwenden, und die durch örtliches Austrocknen oder Überfluten der Elektroden oder Matrizen veruxsacht werden.

Wie bereits erwähnt, ist die Kühlung des Systems von der Aufgabe

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der Abführung des Wassers getrennt. Die Brennstoffzelle wird gekühlt, indem ein Kühlmittel, wie z.B. eine 60#ige wässrige Lösung von A'thylenglykol oder einem andeeren dielektrischen Kühlmittel, durch die Zelle fließt. Der Äthylenglykol, der in der vorstehend angegebenen Weise die nutzbare Wärme der Brennstoffzelle sammelt, wird verwendet, um den Luftsättiger auf der richtigen Temperatur zu halten. Genauer gesagt, das Kühlmittel wird von der Motorpumpe 27 durch eine elektrische Heizeinrichtung 28 in die Brennstoffzelle gepumpt. Die in Fig. 1 gezeigte elektrische Heizeinrichtung 28 wird nur verwendet, um das Kühlmittel zu erwärmen, insbesondere wenn der Start bei äußerst niedriger Umgebungstemperatur erfolgt. Das Kühlmittel strömt durch die Kühlmitteldurchlässe 5 der Brennstoffzelle. Die von der Zelle erzeugte nutzbare Abwärme wird von der Zellenoberfläche gleichmäßig abgeführt, wodurch heiße Stellen vermieden werden und die Abführung der Wärme aus der Brennstoffzelle bei der höchst möglichen Temperatur erfolgt. Das ergibt eine wirksame Einrihtung für die Wärmeabführung und setzt die Größe des Radiators auf ein Mindestmaß herab. Nachdem das Kühlmittel den Brennstoffzellenstapel verlassen hat, wird dasselbe in den Druckluftradiator 70 zurückgeführt. Wie bereits erwähnt, strömt das Kühlmittel auf dem Weg zum Radiator durch den Luftsättiger 25, um denselben auf der richtigen Temperatur zur Regelung der Feuchtigkeit zu halten. Das Umgehungsventil 24 ist mit etier Abtasteinrichtung 80 versehen, welche die Kühlmittelstb^mung durch den Sättiger 25 einstellt, um eine zufriedenstellende Temperatur der in den Kohlendioxydwäscher eintretenden Luft zu erhalten. Nach dem Verlassen des Sättigers strömt das Kühlmittel zum Radiator 70. Die Temperatur des Kühlmittels wird aufrechterhalten, in-

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dem dasselbe durch den Druckluftradiator geleitet wird. Das zum Radiator führende Umgehungsventil 7I ist mit einer Abtasteinrichtung 72 versehen. Falls das Kühlmittel die richtige Temperatur aufweist, ohne durch den Radiator hindurchzugehen, wird das Kühlmittel um den Radiator herum geleitet. Ein Zwischenoder Ausgleichsbehälter 82 für das Kühlmittel ist vorgesehen, um durch die Temperatur verursachte Volumenänderungen des Kühlmittels zu ermöglichen.

Wie bereits erwähnt, verwendet die kompakte Zelle des vorliegenden Systems vorzugsweise leichte Elektroden, die sich mit einem in einer Matrize zurückgehaltenen Elektrolyten in Berührung befinden. Es ist jedoch offenbar, daß das beschriebene System auch Vorteile aufweist, wenn es mit zahlreichen anderen Brennstoffzellen und verschiedenen Arten von Elektroden verwendet wird. Andere Elektroden, die verwendet werden können, umfassen die nicht porösen Palladium/Silberlegierungselektroden, wie sie in der amerikanischen Patentschrift 5 092 517 beschrieben sind. Entsprechende Matrizen zum Zurückhalten des Elektrolyten sind hydrophile Materialien, einschließlich Asbest, Keramik, Kunststoff und andere. Der Elektrolyt kann eine wässrige Lösung eines Alkalihydroxyds oder eine wässrige starke Säure sein, wie z.B. Phosphor- oder Schwefelsäure. Bei Verwendung eines frei fließenden Elektrolyten können die gleichen Lösungen benützt werden. Wenn in der Zelle leichte Elektroden verwendet werden, ist jedoch vorzugsweise eine gasdurchlässige hydrophobe Membran auf der Gasseite des Elektrolyten wünschenswert, um das Entwässern beim Überfluten zu verhindern. Demgemäß wird die fieaktionszwischenfläche von Elektrode, Elektrolyt und Reaktionsglas viel

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leichter geregelt.

Die nicht porösen Kühlungsplatten oder Wärmeaustauschelemente, welche die Kühlmitteldurchlässe der Zelle begrenzen, können ' aus irgendeinem entsprechenden Material bestehen, das gute Wärmeaustauscheigenschaften aufweist. Solche Materialien umfassen Nickel, Kupfer, Tantal, Eisen, Magnesium und Legierungen derselben. Vorzugsweise haben die Kühlungsplatten oder Wärmeaustauschelemente einen großen Oberflächenbereich, damit der Wärmeaustausch so wirksam als möglich ist. Aus diesem Grund ist eine gewellte, mit Vertiefungen versehene oder geätzte Platte wünschenswert. Da sich die Kühlungsplatte vorzugsweise an verschiedenen Stellen mit der Elektrodenoberfläche in Berührung befindet, wird die Platte auch zum Abführen des erzeugten elektrischen Stromes dienen.

Obwohl in der vorstehenden Beshreibung nur eine Ausführungsform des Wärmeaustauschers, Luftsättigers, Kohlendioxydwäschers, Bodenventils und dergleichen beschrieben worden ist, können selbstverständlich auch Einrichtungen von anderer Konstruktion verwendet werden, solange sie die erforderliche Aufgabe erfüllen. Solche Abänderungen sind für den Fachmann leicht erkennbar.

Ein typisches System der vorstehend beschriebenen Art ist folgendes:

Stapel

Abgegebene Nettoleistung in W 500

Abgegebene Bruttoleistung in W 600

Spannung in V 28,8 Stromsträrke in Ampere 20,8

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Brennstoffzelle

Zellenspannung in V 0,8

Stromdichte in Amp/cm 0,1677

Konzentration des Elektrolyten in W#K0H 30

Größe der aktiven Elektrode in cm 11,4.11,4

Maximum der Betriebstemperatur 71⁰C

Sauerstoffverbrauch

(g Op verbraucht/gOp in der Einlaßluft) 0,4

Betriebsleistung

(Nettoleistung/Brennstoffverbrauch.LHV H₂ 54,0 Anzahl der in Reihe geschalteten Stapel- 36 zellen

Anzahl der Zellen pro Stapel 12

Gesamtgewicht der Stapel mit 3-12 Zellen 9,53 kg Abmessungen des Stapelss

Länge 13,2 cm Breite 15>24 cm Höhe 15,24 cm

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Erfindung nicht auf die besonderen Ausführungsformen und Konstruktionsmaterialien beshränkt ist, die zur Veranschaulichung der Erfindung angegeben sind. Der Fachmann kann vielmehr Abänderungen vornehmen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Brennstoffzellensystem für einen kompakten Wasserstoff/Luft-Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl durch eine Flüssigkeit kühlbare Brennstoffzelleneinheiten aufweist, die einen Elektrolyten enthalten, der zwischen einer oxydierenden ^ Elektrode und einer reduzierenden Elektrode angeordnet ist, welche mit Wärmeaustauschelementen in Wärmeaustauschbeziehung stehen, sowie eine Brennstoffkammer und eine Oxydationsmittelkammer, die angrenzend an die betreffende Elektrode angeordnet sind, und einen Kühlmitteldurchlaß, der zwischen jeder der Vielzahl von Zellen angeordnet ist,

gekennzeichnet durch eine Kühlschleife, in welcher ein Wärmeaustauschmedium in Wärmeaustauschberührung mit den Wärmeaustauschelementen in Umlauf gesetzt wird, um die nutzbare Wärme aus der Zelle abzuziehen, wobei das Wärmeau&auschmedium quer ü zu den Elektroden der Zelle einen vorherbestimmten Temperaturgradienten herstellt, durch ein Zuführungssystem für die Verfahrensluft, welches einen Sättiger zum Konditionieren des gasförmigen Oxydationsmittels enthält, indem dasselbe in Wärmeaustauschberührung mit einer Feuchtigkeitsquelle gebracht wird, die in Wärmeaustauschberührung mit einer proportionalen Menge des umlaufenden Wärmeaustauschmediums steht, um eine vorherbestimmte Temperatur und relative Feuchtigkeit des gasförmigen Oxydationsmittels herzustellen, und durch eine DruGkerzeugungseinrichtung,

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welche bewirkt, daß das gasförmige Oxydationsmittel mit einer vorherbestimmten Temperatur, und relativen Feuchtigkeit durch die "oxydierende Elektrode in Berührung mit der Oberfläche derselben mit einer relativ zur Belastung des Zellenstapels vorherbestimmten Strömungsgeschwindigkeit hindurchgeht, um eine gleichmäßige Verdampfungsgeschwindigkeit des als Nebenprodukt gebildeten Wassers auf der Oberfläche der oxydierenden Elektrode und eine gleichmäßige Abführung dieses Wassers aus dem Zellenstapel zu bewirken, sowie durch ein Steuersystem für die. Wasserstoffströmung, welches der reduzierenden Elektrode den gasförmigen Brennstoff zuführt,

2» Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschleife einen Behälter (82) für das Wärmeaustauschmedium und eine Pumpe (27) umfaßt, welche das Wärmeaustasuschmedium durch die Kühlmitteldurchlässe (5) des Brennstoffzellenstapels in Umlauf setzt und dasselbe aus diesen Durchlässen über eine erste Umgehungssteuereinrichtung (24,80) zu eliem Wärmeaustauscher (70) zurückführt, welcher mit der Außenluft in Verbindung steht und nutzbare Abwärme in dieselbe freigeben kann, sowie daß eine zweite Umgehungssteuereinrichtung (71,72) die Temperatur des Wärmeaustauschmediums am Einlaß zum Brennstoffzellenstapel regelt.

j5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Umgehungssteuereinrichtung ein Umgehungsventil (24) enthält, um die Strömung eines Teils des Wärme· austauschmediums durch eine Sättigungseinrichtung (23) zu lenken.

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4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Umgehungssteuereinrichtung (70,71*72) eine Leitung enthält, welche eine Umgehung rund um den Wärmeaustauscher (70) bildet, eine im System angeordnete Wärmeabtasteinrichtung (72) zum Abtasten der Temperatur des Wärmeaustauschmediums am Eingang zum Brennstoffzellenstapel und ein Umgehungssteuerventil (71), das in Abhängigkeit von der Wärmeabtasteinrichtung wirksam ist, um die Strömung des flüssigen Wärmeaustauschmediums durch den Wärmeaustauseher und die Umgehungsleitung anteilig zu bemessen, damit das umlaufende Wärmeaustauschmedium am Einlaß des Brennstoffzellenstapels in einem vorherbestimmten Temperaturbereich gehalten wird.

5. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlschleife eine elektrische Heizeinrichtung (28) angeordnet ist, um die Temperatur des Wärmeaustauschmediums insbesondere bei Kaltstarts zu erhöhen, wenn die Umgebungstemperatur äußerst niedrig ist.

6. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerzeugungseinrichtung, welche bewirkt, daß das gasförmige Oxydationsmittel durch die oxydierende Elektrode in einer relativ zur Belastung des Brennstoffzellenstapels vorherbestimmten Menge hindurchgeht, eine Druckeinrichtung (21) enthält, welche eine konstante Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Oxydationsmittels erzeugt, und ein Bodenventil (22), das automatisch die Luftmenge regelt, wel che der Sättigungseinrichtung (2j3) zugeführt wird, und das entsprechend der veränderlichen Belastung des Brennstoffzellensta-

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pels jenen Teil der konstanten Strömung des gasförmigen Oxydationsmittels in die Außenluft austreten läßt, der über ein vorherbestimmtes Verhältnis des Volumens des gasförmigen Oxydationsmittels zur augenblicklichen Belastung des Brennstoffzellenstapels hinausgeht.

7· Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinrichtung (21) aus einem luftansaugenden Kompressor und einer Pumpe besteht.

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenventil (22) ein Ventilgehäuse (30) aufweist, in welchem eine Ventilsitzeinrichtung (33*3^0 angeordnet ist, um das Gehäuse in zwei Kammern zu teilen, von denen die eine Kammer mit dem Einlaß (3I) für das gasförmige Oxydationsmittel in Verbindung steht, während die andere Kammer durch Entlüftungsöffnungen (32) mit der Außenluft verbunden ist, daß im Gehäuse ein Ventil (35) angeordnet ist, das in der Schließstellung mit dem Ventilsitz (3²O in Eingriff kommt, daß eine Feder (37) das Ventil außer Eingriff mit dem Sitz (3^8 in die Offenstellung drückt, wenn keine Belastung des Brennstoffzellenstapels vorhanden ist, und daß ein Solenoid (38) das Ventil proportional zur zunehmenden Belastung des Brennstoffzellenstapels aus der Offenstellung in die Schließstellung bewegt.

9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Feder (37) auf das Ventil (35) einwirkt und bei mit zunehmender Belastung des Brennstoffzellenstapels zunehmender Erregung des Solenoids (38) elastisch

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eine Bewegung des Ventils in die Schließstellung ermöglicht.

10. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführungssystem für die Verfahrensluft einen Kohlendioxydwäscher (25) enthält, der zwischen die Sättigungseinrichtung (23) und den Brennstoffzellenstapel eingeschaltet ist, um zu verhindern, daß Spuren von Kohlendioxyd in der Luftströmung in den Brennstoffzellenstapel eintreten.

11. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungseinrichtung ein Gehäuse umfaßt, welches einen Sinlaß und Auslaß für das gasförmige Oxydationsmittel und innerhalb des Gehäuses ein Wärmeaustauschelement (43) aufweist, das in Wärme au st au sch berührung mit dem umlaufenden Wärmeaustauschmedium und mit einer Peuchtigkeitsquelle (46) steht, die ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, um die Verdampfungsgeschwindigkeit zu erhöhen, daß das Gehäuse das Wärmeaustauschelement und die Feuchtigkeitsquelle umschließt, um das strömende gasförmige Oxydationsmittel in Wärmeaustauschberührung mit denselben zu bringen, daß eine Umgehungssteuereinrichtung eine Leitung enthält, um eine Umgehung rund um das Wärmeaustauschelement im Gehäuse zu bilden, daß im System eine Wärmeabtasteinrichtung angeordnet ist, um die Temperatur des gasförmigen Oxydationsmittels am Auslaß des Gehäuses abzutasten, und daß ein Umgehungssteuerventil in Abhängigkeit von der Wärmeabtasteinrichtung wirksam ist, um die Strömung des umlaufenden Wärmeaustauschmediums durch das Wärmeaustauschelement innerhalb des Gehäuses und die Umgehungsleitung anteilig zu bemessen, damit dem gasförmigen Oxydationsmittel am Auslaß des Ge-

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häuses relativ zum Temperaturgradienten an der oxydierenden Elektrode des Zellenstapels eine vorherbestimmte Temperatur und relative Feuchtigkeit erteilt wird.

12. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem für die Wasserstoffströmung aus einem Druckbehälter und einer Regeleinrichtung besteht, welche die den Brennstoffkammern der Brennstoffzelle zugefUhrte Wasserstoffmenge regelt, sowie aus einer Leitung, welche den Wasserstoff aus dem Druckbehälter den Brennstoffkammern der Brennstoffzelle zuführt.

13. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelleneinheiten so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie ein Kraftsystem bilden, das über seinen ganzen Belastungsbereich mit Luft betrieben werden kann bei Umgebungstemperaturen, die sich von -42,8⁰C - 51*5°C erstrecken, und mit irgendeiner relativen Luftfeuchtigkeit, die 0 - 100$ beträgt.

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