DE2050916B2

DE2050916B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Speisen einer Brennstoffbatterie mit reaktivem Gas

Info

Publication number: DE2050916B2
Application number: DE2050916A
Authority: DE
Inventors: Jacques Versailles Cheron
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1969-10-16
Filing date: 1970-10-16
Publication date: 1981-04-02
Also published as: JPS513373B1; FR2085154A1; NL7015100A; DE2050916A1; GB1276237A; DE2050916C3; CA944816A; BE757364A; FR2085154B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speisen einer Brennstoffbatterie mit einem reaktiven Gas, wobei man das Gas entsprechend einer geschlossenen Schleife, in die man die Brennstoffbatterie legt, in Zirkulation versetzt und kontinuierlich zusitzuch.es frisches Gas in diese Schleife einfahrt und dabei kontinuierlich eme Fraktion des resultierenden aus der Batterie austretenden'-.Ppss ^Pfölwtr Die Erfindung hat

a«cb eme yörricbtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Gegenstand

Solche Verfahren sind in der DE-OS 1496 300 beschrieben. Hiernach erfolgt die Speisung .ipit dem reaktiven Produkt in der Ringschleife, Man führt eine Menge an reaktivem reinem Fluid ein, die gleich der in der Zelle verbrauchten ist; Einrichtungen sind vorgesehen, die nur dann betätigt werden, wenn periodisch die Leitungen gereinigt werden sollen.
, Auch ist es bekannt (aus ÜS-PS 3160 528), die

is Luftmenge, die jede Zelle durchströmt, als Funktion des elektrischen von der Zelle erzeugten Stroms zu steuern.

Eine Kreislaufrückführung einer Fraktion des die Zelle durchströmt habenden Fluids ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Durchsatz am Eintritt in die Zelle auf einem relativ großen konstanten Wert zu halten. Die Temperatur des Gases soll nur gering variabel und unabhängig von der Stärke des von der Zelle abgegebenen elektrischen Stroms sein, damit die Elektroden in Zuständen gehalten werden, die ihren optimalen elektrochemischen Betriebszuständen, unabhängig von. den Änderungen der gelieferten leistung, möglichst nahekommen. Beaufschlagt man die Brennstoffbatterie mit einer im wesentlichen konstanten erhöhten Menge sauerstoffhaltigen Gases gleichförmiger Temperatur, so hat dies den Nachteil zur Folge, daß eine erhebliche Luftmenge einer Behandlung, insbesondere der Dekarbonisierungsbehandlung ausgesetzt würde, und zwar selbst bei geringen Durchsätzen, beispielsweise im Leerlauf, während die für den Betrieb der Brennstoffbatterie notwendige Menge an Sauerstoff nur sehr gering wäre, was wieder zu einem übermäßigen Verbrauch an Dekarbonisierungsreaktionsmittel führen würde.

Überraschend kann man dieses Problem dadurch lösen, daß der Wert des die Brennstoffbatterie durchströmenden sauerstoffhaltigen Gases im wesentlichen konstant, unabhängig von der Stärke des gelieferten elektrischen Stroms, gehalten wird und daß eine Doppelsteuerung des Durchsatzes an zusätzlichem frischen Gas und des Durchsatzes an abgezogenem Gas auf den Wert eines elektrischen Signals vorgenommen wird, das eine Funktion der Stärke des von der Brennstoffbatterie abgegebenen Stroms ist Vorzugsweise wird eine Fraktion des aus der Brennstoffbatterie austretenden Durchsatzes vor oder nach der Stelle der Einführung des frischen Zusatzgases abgezogen.

Bei einer besonders zweckmäßigen Vorrichtung zum Speisen einer Brennstoffbatterie in der oben angegebenen Weise sind ein Motor und Stelleinrichtungen vorgesehen, die gleichzeitig Gaszufuhr und Gasabfuhr abhängig von einem Differenzsignal eines (Comparators steuern.

Hierdurch kann die in Kontakt mit den Elektroden strömende Menge sauerstoffhaltigen Gases relativ hoch, im wesentlichen konstant, auch bei geringen Eihführuiig$fnengen, beispielsweise .von dekärböflisiefter Luft sein.

Der Hygrometriegrad des rezirkulierten sauerstoffhaltigen Gases stellt sich selbsttätig auf einen Wert ein, der nicht allein vom Feuchtigkeitsgrad des in den Kreis eingeführten sauerstoffhaltigen Gases abhängt.

Das in Zirkulation durch das Fluid mitgerissene Wasser kann in einem Kondensator wiedergewonnen

werden, der entweder en der durph. die Rückffibrungslel· jung gebildeten Schleife oder an der Absugsleltung angeordnet ist.

Aufgrund der Doppelsteuerung ist die Sauerstoffkonzentration in dem die Brennstoffbatterie speisenden Gas unabhängig von der in Zirkulation gesetzten Gasmenge.

Eine beispielsweise AusfiUyungsform der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Diese zeigt in . ., to

F i g. 1 eine schematische Darstellung und in F i g. 2 schematisch dieerreichte Doppelsteuerung,

Die betrachtete Ausführungsform ist anwendbar auf die Speisung einer Brennstoffbatterie 1 mit Luft

Die Vorrichtung umfaßt eine Zirkulationsleitung 3 für die Luft in geschlossener Schleife, wobei die Luft in die Zelle bei 4 ein- und bei 5 austritt Die Zirkulation erfolgt mit Hilfe der Pumpe 6. Eine Frischluftergänzung (Zusatz) entsprechend der in der Zelle verbrauchten Sauerstoffmenge wird bei 7 eingeführt und in die Brennstoffeelle über die Pumpe 8 unter Zwischenschaltung der Leitung 9 nach Durchgang in einer Dekarbonisiervorrichtung 10 gefördert

Ein Bruchteil dieser aus der Brennstoffzelle austretenden Luftmenge wird über die Leitung 11 abgeführt

Ein Kondensator 12 ermöglicht die Wiedergewinnung des von der Luft vor deren Austrag in die Atmosphäre mitgerissenen Wassermenge.

Regeldrosselklappen 3a und 9a, die von einem Doppelsteuerungssystem aus betätigt werden, wie beispielsweise in F i g. 2 dargestellt, regeln jeweils die in den Kreis eingeführte Frischluftmenge und die aus der Zelle austretende über die Leitung 11 abgeführte Gasmenge.

Die Steuerung des Öffnungsgrades der Drosselklappen 3a und 9a als Funktion der Stärke des von der Brennstoffzelle abgegebenen Stroms kann, wie in den F i g. 1 und 2 dargestellt, durchgeführt werden, indem die elektrische Spannung an den Klemmen dieser Zelle über Leiter 1? und 14 abgegriffen wird, die an ein erstes Paar von Eingangsklemmen eines Komparator 21 gelegt sind, wobei diese Spannung im wesentlichen proportional der Stromstärke des von der Zelle in den Lastkreis 2 gelieferten Stroms ist Der Ausgleich dieser Spannung wird durch eine Potentiometerschaltung herbeigeführt, die, z.B. wie sehetlatisch in Fig.2 dargestellt, eine Speisung mit konstanter Spannung E umfaßt, deren Klemmen jeweils über die Leiter 15 und 16 mit denen des Potentiometers 17 verbunden sind.

Eine der Klemmen dickes Potentiometers sowie der Schieber 18 sind über die Leiter 19 und 20 jeweils mit einem zweiten Paar von Eingangsklemmen des Komparator 21 verbunden.

Stellt sich eine Differenz zwischen den an den Komparator 21 gelegten Spannungen ein, so wird ein Abweichungssignal durch diesen Komparator in Form einer elektrischen Spannung erzeugt, die zwischen den Leitern 22 und 23 auftritt und deren Polarität eine Funktion des Vorzeichens der Differenz der beiden an den Komparator 21 gelegten Spannungen ist.

Die Leiter 22 und 23 sind mit einem Relais 24 verbunden, das die Speisung eines kleinen Servomotors M ausgehend von der Stromquelle e über den einen öder anderen der Leiter 25 und 26 steuert, jeweils entsprechend den beiden Drehrichtungen des Motors M tv> nach der Polarität des Ausgangssignals des Kornparators 21. Wird dieses Signal zu Null, so wird die elektrische Speisung des Motors unterbrochen.

Der Schieber 18 des Potentiometers wird in Prehung durch den Motor M mitgenommen und verschiebt sich so als Funktion der von der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffelement 1 geliefertenLeistung,

Die Welle 27 des Motors steuert die gleichzeitige Drehung der Drosselklappen 3a und 9a über das Zahnrad 28 und die Schnecke 29, welche durch Stengen 30 und 31 verlängert ist Letztere sind gelenkig an ihren Enden an Hebeln 32 und 33 zur Steuerung der Drosselklappen 3a und 9a gelagert, was also eine Zuordnung der Winkelstellung der Klappen zur Stromstärke des von der Brennstoffzelle gelieferten elektrischen Stroms bzw, eine Steuerung derselben sichert

Eine Vorrichtung, die beispielsweise durch Ausführung der Stange 30 in zwei gesonderten Teilen gebildet wird, welche sich durch Einschrauben In die Enden einer mit Innengewinde versehenen Muffe 34 verbinden lassen, ermöglicht gegebenenfalls die Verstellung der Phasenverschiebung zwischen den Winkelstellungen der Klappen 3a und 9a durch einfache Drehung der Muffe mittels eines geeigneten Schlüssels.

Es ist selbstverständlich im Rahmen der Erfindung möglich, den Wert der an den Komparator 21 gehgten elektrischen Spannung durch irgendeine elektronische geeignete Anordnung zu korrigieren, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß die an den Klemmen der Zelle abgegriffene Spannung nicht unbedingt proportional zur Stromstärke des von der Brennstoffzelle gelieferten elektrischen Stroms ist

Man kann auch die Steuerung durch die Spannung, die an den Klemmen eines mit der Zelle in Reihe geschalteten Nebenschlußkreises erzeugt wird, vornehmen. In diesem Fall ist die Steuerspannung unbedingt proportional der Stromstärke des von der Zelle gelieferten Stroms.

Die folgenden Untersuchungen sollen die möglichen Ausführungsformen der Erfindung erläutern ohne sie zu begrenzen.

Mit q\ sei die Zusatzmenge an Frischluft, die bei 7 in den Kreis eintritt, mit ψ die über die Leitung 11 abgezogene Gasmenge, mit φ die Menge des in der Zelle verbrauchten Gases und mit q^ und 175 die jeweiligen in die Zelle ein- und aus dieser austretenden Gasmengen bezeichnet wobei diese Mengen in Volumen pro Zeiteinheit ausgedrückt sind. Mit Q, C₂, C₃, Q und Cs sind die jeweiligen Volumenkonzentrationen an Sauerstoff im Gas an den entsprechenden Stellen des Kreises bezeichnet (es ergibt sich Cl — 0,2 und C₃ = 1, da das bei 7 eintretende Gas Luft und das in der Zelle verbrauchtt Gas Sauerstoff ist).

Im übrigen wird mit q<, die Menge im Kreis kurz voi dem Einlaßpunkt des frischen Ergänzungsgases, hinter dei Stelie, wo ein Teil des aus der Brennstoffzelle austretenden Gases (Menge 92) abgezogen wird, bezeichnet

Es ergeben sich die folgenden Mengenbeziehungen:

φ = φ + Φ qs = qi + qe Qi = <7i + qi <74 = φ + 95

Da die Mengen φ und qi gleichzeitig, derart, daß sie in gleichem Sinne variiei en, durch das Steuergestänge der Drosselklappen 3a und 9a geregelt werden, sieht man, daß dann, wenn der Sauerstoffverbrauch qj in der Zelle gering ist, die Mengen q\ und «72 ebenfalls gering werden

(erhöhter Rezykiierungsgrad), während der Rezyklie- rungsgrad der Zelle gering wird, wenn der Verbrauch der Zelle hochliegt. Es ergeben sich somit die folgenden Beziehungen hinsichtlich der Sauerstoffmenge:

C₅ - C₂ =

Q\ C₁ - q₃ C₃
Qi

q\ Q q* G

«73 C₃ + φ q\ Q + q*,

C₂

Hieraus folgt

0,2 t/i - q, Qi

Qi - 0,8 </, Qi

Die Sauerstoffkonzentration im Kreis hinter der Brennstoffzelle hängt also nur von den Eintritts- und Austrittsmengen und von der verbrauchten Sauerstoffmenge ab, sie hängt nicht von der Rezyklierungsmenge ab.

Wünscht man beispielsweise, daß die Konzentration G konstant ist, so zeigt die obenstehende Formel, daß dieses Ergebnis erreicht wird, indem das Verhältnis der Mengen

Q:

konstant gehalten wird:

Q\ = k q₂

1 -

0,8

Dies wird also erfindungsgemäß erreicht.
Im übrigen gilt:

_ q_hC₂ + q< C₁

ίο auch hinter der Stelle vorgenommen werden kann, wo das frische Ergänzungsgas eingeführt wird.

Im folgenden soll dargelegt werden, was aus den Beziehungen für die Menge und die Sauerstoffmenge in einem solchen Fall wird, wenn man weiter mit q\ die

i) Menge für die Zuführung frischen Gases, mit <# die Menge abgeführten Gases, mit <?₃ die Menge verbrauchten Gases, mit q* und 175 die jeweiligen Eintritts- und Austrittsmengen der Zelle bezeichnet. Mit Ci, C2, Cs, G und C·. werden die Saiierstnffvoliimenleonzenlraiinnpn

:ii an den entsprechenden Stellen des Kreises bezeichnet; Cs bezeichnet so die Volumenkonzentration an Sauerstoff des Gases bei Austritt aus der 2'.elle.

Es ergeben sich die folgenden Mengenbeziehungen.

und die Beziehungen für die Sauerstoffmengen
1 C₃ + q₂ Ca

Der Sauerstoffgehalt in der Schleife beim Eintritt in die Zelle ist also eine Funktion der Menge des rezyklierten Gases.

Beim oben beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß das Abziehen eines Bruchteils der Menge an aus der Zelle austretendem Fluid vor der Stelle vorgenommen wurde, wo frisches Ergänzungsgas eingeführt wurde. Eine solche Anordnung erscheint am vorteilhaftesten, darf jedoch auf keinen Fall als absolut begrenzend angesehen werden, da dieses Abziehen eines Bruchteils der in der Rezyklierungsleitung strömenden Gasmenge <7i τ. 1 =

q_t Ci = qi C₃ + (75 C₅

oder

_ ^i C₁ - q_s C) Qi

0,2 t?! - q_} Qi

Die Sauerstoffkonzentration G im Kreis vor der Zelle hängt also nur von den Eintritts- und Austrittsmengen und von der verbrauchten Sauerstoffmenge ab; sie hängt nicht von der Rezyklierungsmenge ab.

Im übrigen gilt:

Der Sauerstoffgehalt im Kreis bzw. in der Schleife am Austritt aus dem Brennstoffelement bzw. aus der Brennstoffzelle ist also eine Funktion der rezyklierten Gasmenge.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche?

t. Verfahren zum Speisen efaer Brennstoffbatterie mit einem reaktiven Gas, wobei das Gas entsprechend einer geschlossenen Schleife, in der man die Brennstoffbatterie legt, in Zirkulation versetzt und kontinuierlich zusätzliches frisches Gas in diese Schleife einführt und dabei kontinuierlich eine Fraktion des resultierenden aus der Batterie austretenden Gases abführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des die Brennstoffbatterie durchströmenden sauerstoffhaltigen Gases im wesentlichen konstant, unabhängig von der Stärke des gelieferten elektrischen Stroms, gehalten wird und daß eine Doppelsteuerung des Durchsatzes an zusätzlichem frischen Gas und des Durchsatzes an abgezogenem Gas auf den Wert eines elektrischen Signals vorgenommen wird, das eine Funktion der Stärke des von der Brennstoffbatterie abgegebenen Stroms ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fraktion des aus der Brennstoffbatterie austretenden Durchsatzes vor oder nach der Stelle der Einführung des frischen Zusatzgases abgezogen wird.
3. Vorrichtung zum Speisen einer Brennstoffbatterie mit einem reaktiven sauerstoffhaltigen Gas, mit einer Rezirkulationsleitung, deren beide Enden jeweils mit der Gasspeiseleitung und mit der Gasaustrittsloitung verbunden sind, wobei die Gaseinleiteinrichtungen eine Regeleinrichtung für das eingeleitete Gas sowie «ine Einrichtung zum Abziehen eines Bruchteils der aus der Zelle austretenden Gasmenge aufweis., zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Servomotor (M) und Stelleinrichtungen (28; 29), die gleichzeitig Gaszufuhr und Gasabfuhr (bei 9a, Za) abhängig von einem Differenzsignal eines !Comparators (21) steuern.
4. Vorrichtung zura Speisen einer Brennstoffbatterie nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Potentiometerschaltung zur Speisung mit konstanter Spannung (E), wobei die Anschlüsse der Spannungsquelle (^jeweils über Leitungen (15 und 16) mit denen des Potentiometers (17) verbunden sind, wobei einer der Anschlüsse des Potentiometers sowie der Schieber (18) über Leitungen (19 und 20) jeweils mit einem zweiten Paar von Eingängen des !Comparators (21) verbunden sind, während das erste Paar von Eingängen des !Comparators (21) mit den Klemmen der Brennstoffbatterie verbunden ist
5. Vorrichtung zum Speisen einer Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 3 und 4, gekennzeichnet durch ein die Drehrichtung des Servomotors (M) steuerndes Relais (24), das seinerseits vom Differenzsignal des Komparatorausgangs (22, 23) gesteuert ist