DE2129134B2 - Brennstoffzellenaggregat - Google Patents
BrennstoffzellenaggregatInfo
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Description
il (56)
Plfktrische Energie in Form von Gleichstrom. Der Wirkugsgrad beträgt dabei etwa 50 bis 60%. Der
entnehmbare Strom ist bei e.ner Senenchaltung der
Brennstoffelemente abhäng.g yon der Große der
• aktiven Fläche der einzelnen Zellen und der zulässigen
Flächenbelastung, die Spannung ist abhäng.g von der Zeilenzahl Bei der elektrochemischen Reaktion, be. der
die chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt
wird entsteht Wärme. Diese Wärme muß durch e.n Kühlmedium beispielsweise Wasser, abgeführt werden.
" D S Tmuß bei einer Brennstoffbatterie in der Rege,
ebensoviel Wärme durch das Kühlmedium abgeführt werden wie der Batterie Nutzenergie entnommen wird.
Neben der Reaklionswärme entsteht bei der elektro-
,- chemischen Umsetzung auch Reakt.onswasser, und zwaT entstehen pro Kilowattstunde etwa 0,5 Liter
WDaeBrennstoffbatterien wegen der relativ geringen
Spannung der Einzelzellen immer aus e.ner größeren ,o AnShI von elektrisch in Reihe oder parallelgeschalte-"
ten Zellen bestehen, ergeben sich daraus beim Bau von
Brennstoffbatterien mit hoher Le.stung große Einheiten Zusätzlich dazu und im Gegensatz zu den
Wlass=sch<*n Batterien und Akkumulatoren benotigen die
JS Brennstoffbatterien zum Dauerbetrieb darüber hinaus
" eine Reihe von Hilfseinrichtungen. Andererseits müssen derartige Brennstoffbatterien für bestimmte Anwendungsgebiete
gewisse Anforderungen erfüllen. So müssen sie beispielsweise bei Verwendung auf dem
,o Gebiet der Traktion, d.h. be. der Verwendung m ' mobilen Systemen, eine gewisse Schräglagenunempfindlichkeit
aufweisen.
Aus den österreichischen Patentschriften 2 77 341 und 2 77 342 sind Brennstoffbatterien bekannt, die aus
is mehreren Brennstoffelementen aufgebaut sind und
'' einen Elektrolytregenerator besitzen Der Elektrolytregenerator
kann die äußere Gestalt der Brennstoffelemente aufweisen und am Batterieende angeordnet oder
zwischen einzelnen bzw. mehreren Brennstoffelemen-
iem zwiscnen einzelnen t«.»· ■■"■■·
.
. r u · η ,n ten eingebaut sein. Bei derartigen Brennstoffbattenen
Reduzierventil (56) zur Zuführung eines der 4o ttn angebaut se ksch,euse zur Entfernung des
gasförmigen Reaktanten von der Zuführungsleitung kann grner eine _ ^ QE p{, 2 ?? ^ _
(51) zum Elektrolytregenerator (15) vorgesehen et 5^™*^βΓ zur Kühlung der Elektrolytflüssig-
daß in der Steuerle.tung (54) e.n Magnetventil (55) ein warm« ^ ^ pg 33 gl Q2J ^ ^
angeordnet ist, das auf eine untere Grenzspannung ^ v0^se m Elektrolytkreislauf von Brennstoff-
der Brennstoffbatterie anspricht, und daß die 4.-, lerner ι?e'?nni> v k ^zuordnen.
Membranventile (58,59) in den Zuführungsle.tungen ^^^^^"rien und Aggregate zeigen
,« «x ,,. .,;. „«fAPmiepn Rpaktanten an das D^ bekannten^ ^^ ^. ^.^ ^
einzelnen Bauteilen eine Vielzahl von Leitungen erforderlich ist. Darüber hinaus kann aufgrund dieser
Bauweise eine Schräglagenunempfindhchkeit nicht
gewährleistet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenaggregat
der vorstehend genannten Art zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umsetzung von gasformigen
Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten, das einen Elektrolytregenerator, eine Druckschleuse und einen
Kühler aufweist, weiter zu verbessern. Insbesondere soll das Leistungsgewicht bzw. das Leistungsvolumen und
der erforderliche Raumbedarf reduziert werden, indem die Einzelteile des Aggregates in die betrieblich
optimale Reihenfolge gesetzt werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Aggregat in kompakter Bauweise in einem gemeinsamen
Gehäuse wenigstens eine Brennstoffbatterie, den Elektrolytregenerator, die Druckschleuse, den Kühler,
einen Vorratstank und einen Steuerungsteii enthält, wobei die einzelnen Bauteile in dieser Reihenfolge
(51, 52) für die gasförmigen Reaktanten an das Magnetventil (55) angeschlossen sind.
2. Brennstoffzellenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Membranventil
(59) in der Zuführungsleitung (52) für das gasförmige Oxidationsmittel und dem Magnetventil
(55) eine Drossel (62) vorgesehen ist.
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenaggregat zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umsetzung
von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten, der im Kreislauf geführt ist, mit einer aus h0
einer Mehrzahl von Brennstoffelementen aufgebauten Brennstoffbatterie, einem die äußere Gestalt eines
Brennstoffelementes aufweisenden, am Ende der Brennstoffbatterie angeordneten Elektrolytregenerator, einer
Druckschleuse und einem Kühler. !;S
Brennstoffzellen bzw. Brennstoffelemente und Brennstoffbatterien erzeugen aus chemischer Energie, beispielsweise
in Form von Wasserstoff und Sauerstoff,
angeordnet sind und gleiche Querschnittsabmessungen haben, daß sämtliche Leitungen und Verbindungen
zwischen den Einzelteilen des Aggregats innerhalb des gemeinsamen Gehäuses untergebracht sind, daß die Zu-
and Abführung der gasförmigen Reaktanten und eines Kühlmediums auf derjenigen Seite des Aggregats
erfolgt, an der der Steuerungsteil angeordnet ist, daß im Elektrolytkreislauf der Vorratstank mit der Brennstoffbatterie
verbunden und diese über den Elektrolytregenerator und den Kühler wieder an den Vorratstank
angeschlossen ist, wobei die Elektrolytflüssigkeit den Elektrolytregenerator und den Kühler parallel durchströmt,
daß zwischen der Brennstoffbatterie und dem Vorratstank eine Bypass-Leitung angeordnet ist, daß im
Steuerungsteil in den Zuführungsleitungen für die gasförmigen Reaktanten Membranventile angeordnet
sind, daß eine Steuerleitung mit einem pneumatischen Ventil und einem Reduzierventil zur Zuführung eines
der gasförmigen Reaktanten von der Zuführungsleitung zum Elektrolytregenerator vorgesehen ist, daß in der
Steuerleitung ein Magnetventil angeordnet ict, das auf eine untere Grenzspannung der Brennstoffbatterie
anspricht, und daß die Membranventile in den Zuführungsleitungen für die gasförmigen Reaktanten an
das Magnetventil angeschlossen sind.
Ein derartiges Brennstoffzellenaggregat weist verschiedene Vorteile auf. Die Ausführung des Aggregats
als integrierte Baueinheit, d.h. als ein Block, ist aus fertigungstechnischen Gründen besonders vorteilhaft.
Verrohrung und Leitungen zwischen Einzelteilen, die bei getrennter Bauweise erforderlich sind, entfallen,
außerdem entfallen durch den Zusammenbau teilweise auch die bei den Einzelteilen jeweils erforderlichen
Endplatten. Die Aufteilung des energieerzeugenden Teiles in mehrere Brennstoffbatterien hat den Vorteil,
daß dadurch Abweichungen von der Gleichverteilung der Elektrolytströmung in allen Elektrolyträumen, die
bei großen Batterieblöcken auftreten können, vermieden werden. Da die einzelnen Brennstoffelemente von
Brennstoffbatterien zur Entfernung von Reaktionswasserund Reaktionswärme parallel von der Elektrolytflüssigkeit
durchströmt werden, werden sie über die Elektrolytkanäle elektrisch kurzgeschlosser.. Die elektrischen
Verlustleistungen können zwar in dem Maße verringert werden, je kleiner die Kanalquerschnitte für
die Elektrolytversorgung gewählt werden. Bei Verkleinerung der Kanalgeometrie nimmt jedoch die für die
Abfuhr von Reaktionswärme und Reaktionswasser erforderliche Pumpleistung zu. Darüber hinaus ergeben
sich dann auch die bereits genannten Schwierigkeiten bei der Gleichverteilung der Strömung. Da auch die am
schlechtesten durchströmte Zelle mit einem Mindeststrom an Elektrolytflüssigkeit versorgt werden muß,
erhöht sich der insgesamt erforderliche Volumenstrom, d. h. die Pumpleistung. Deshalb ist es vorteilhaft, die
insgesamt zur Erzielung einer bestimmten Leistung erforderlichen Brennstoffelemente in mehreren Brennstoffbatterien
zusammenzufassen.
Das Brennstoffzellenaggregat nach der Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß sämtliche
Leitungen und Verbindungen zwischen den Einzeiteilen des Aggregats innerhalb der. gemeinsamen Gehäuses
untergebracht sind, und zwar in dessen Randzonen. Dadurch entsteht eine kompakte Baueinheit ohne
zusätzliche äußere Verrohrungen. Alle erforderlichen Leitungen für die Reaktanten, die Elektrolytflüssigkeit
und das Kühlmedium sind in dieser Baueinheit integriert. Nach außen hat die Baueinheit Anschlüsse für
die gasförmigen Reaktanten, wie Wasserstoff und Sauerstoff, für das Kühlmedium, zur Entfernung des
gebildeten Reaktionswassers und zur Entlüftung, d. h. zur Entfernung des Restgases, sowie Stromanschlüsse.
Ein kennzeichnendes Merkmal der Baueinheit ist der abgeschlossene Elektrolytkreislauf, der auch zur Wärme-
und Wasserausbringung dient. Zum Umwälzen der Elektrolytflüssigkeit dient beispielsweise eine Kreiselpumpe
mit Direktantrieb durch einen kollektorlosen Gleichstrom-Spaltrohrmotor. Die Pumpe saugt aus
einem Vorratsbehälter drucklos Elektrolytflüssigkeit an und fördert diese direkt in die Brennstoffbatterie, wo
alle Brennstoffelemente parallel durchströmt werden und dabei die Elektrolytflüssigkeit durch die Reaktionswärme
aufgeheizt und durch das entstehende Reaktionswasser verdünnt wird. Nach Durchströmen der
Brennstoffbatterie wird die Elektrolytflüssigkeit parallel sowohl durch einen Elektrolytregenerator als auch
durch einen Kühler geführt. Im Elektrolytregenerator wird der Elektrolytflüssigkeit durch Verdampfen von
Wasser sowohl das Reaktionswasser als auch ein Teil der Reaktionswärme entzogen. Die restliche Reaktionswärme
wird im Kühler an das Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser, abgegeben. Da in der Brennstoffbatterie
mehr Reaktionswärme entsteht als zur Ausbringung des Reaktionswassers erforderlich ist, wird bei
einer Temperaturregelung mehr Wasser aus der Elektrolytflüssigkeit entfernt als Reaktionswasser gebildet
wurde, d. h. die Konzentration der Elektrolytflüssigkeit würde kontinuierlich steigen. Deshalb ist für die
Regelung der Elektrolytkonzentration ein zusätzliches Schaltglied vorgesehen, das den im Elektrolytregenerator
abgereicherten Reaktionswasserstrom entweder bei zu niederer Konzentration nach außen abgibt oder bei
zu hoher Konzentration wieder in den Elektrolytkreislauf zurückführt. Dabei isi wichtig, daß sich Konzentrationsschwankungen,
da sie Volumenschwankungen zur Folge haben, nur in kleinen Grenzen bewegen. Außerdem müssen Verluste an Elektrolytflüssigkeit aus
Gründen der Wartungsfreiheit vermieden werden. Derartige Verluste an Elektrolytflüssigkeit sind möglich
durch Vorhandensein von Elektrolytflüssigkeit im ausgebrachten Reaktionswasser und durch Elektrolyttröpfchen
in den Reaktionsgasen oder deren Inertgasanteilen innerhalb der Brennstoffbatterie, was durch
Übertritt von Elektrolytflüssigkeit in die Gasräume erfolgen kann. Der Verlust an Elektrolytflüssigkeit wird
einerseits dadurch verhindert, daß das Reaktionswasser erst dann nach außen abgegeben wird, wenn es eine
neutrale Reaktion zeigt, was durch eine Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit möglich ist. Andererseits
wird der Verlust an Elektrolytflüssigkeit durch Vorhandensein in den Reaktionsgasen bzw. deren Inertgasanteilen
dadurch vermieden, daß die unverbrauchten Reaktionsgase bzw. deren Inertgasanteile, d. h. das
Restgas, nach Durchströmen des letzten Brennstoffelementes nicht direkt an die Umgebung abgegeben
w?rden, sondern vorher in den Vorratstank für die Elektrolytflüssigkeit zurückgeführt und dann nach
außen abgegeben werden.
Von besonderer Bedeutung bei Brennstoffzellenaggregaten ist die Schräglagenunempfindlichkeit. Dies gilt
insbesondere bei der Verwendung von Brennstoffzeiienaggregaten in Traktionssystemen. Da sich etwa
90% der Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolyträumen der Brennstoffbatterie, das Elektrolytregenerators und
des Kühlers befinden, würde bei stillgesetzter Anlage oder im Störungsfall, d. h. bei stehender Elektrolytpiini-
pe, bei direkter Anströmung der Batterie über die Pumpe und eine Druckleitung, d. h. bei einer direkten
Verbindung des Vorratstankes mit der Batterie im Boden des Aggregates, bei Schräglage des Aggregates
der gesamte Elektrolytvorrat in den Tank zurückströ- s
men und durch die Entlüftungsöffnung des Tankes ausfließen. Dies wird durch eine Leitungsführung
verhindert, die im folgenden erläutert werden soll.
Die Elektrolytflüssigkeit wird zunächst in einem Elektrolylkanal im oberen Teil des Gehäuses des ι ο
Brennstoffzellenaggregates vom Vorratstank aus durch das gesamte Aggregat an dasjenige Ende des Aggregates
gefördert, an dem die Brennstoffbatterie angeordnet ist. Dort wird die Elektrolytflüssigkeit, beispielsweise in
der Endplatte, in den unteren Teil des Aggregates is
geführt und dann von unten nach oben parallel durch die einzelnen Brennstoffelemente geleitet. Beim Vorhandensein
mehrerer Brennstoffbatterien im Aggregat ist dabei für jede einzelne Batterie im unteren Teil des
Gehäuses ein separater Hauptkanal vorgesehen. Nach Durchströmen der Brennstoffelemente wird die Elektrolytflüssigkeit
im oberen Teil der Batterie zum batterieseitigen Ende des Aggregates zurückgeführt,
gegebenenfalls, d. h. beim Vorhandensein mehrerer Batterien, in mehreren Hauptkanälen. Am Ende des
Aggregates wird die Elektrolytflüssigkeit gesammtelt, umgelenkt und in einem gemeinsamen Kanal dem
Elektrolytregenerator zugeführt. Dort wird sie erneut in den unteren Teil des Aggregates geleitet, und zwar in
einer Umlenkzelle, und durchströmt dann von unten nach oben parallel sowohl den Elektrolytregenerator als
auch den Kühler. Sind bei Brennstoffzellenaggregaten großer Leistung sowohl im Elektrolytregenerator als
auch im Kühler eine große Anzahl von Elektrolyträumen vorhanden, so ist es vorteilhaft, zur Erzielung einer
Gleichverteilung der Strömung die Elektrolyträume sowohl im Elektrolytregenerator als auch im Kühler —
entsprechend der Anordnung in mehreren Brennstoffbatteiien — zu zwei oder mehreren Einheiten
zusammenzufassen, die mit separaten Kanälen zur Zu- und Abführung der Elektrolytflüssigkeit versehen sind.
Nach Durchströmen des Elektrolytregenerators und des Kühlers wird die Elektrolytflüssigkeit gesammelt, in
einem gemeinsamen Kanal in den Elektrolytregenerator zurückgeführt, dort erneut umgelenkt und schließlieh
in den Vorratstank zurücktransportiert. Auf diese Weise wird im Störungsfall oder bei stillgesetzter
Batterie das Leerlaufen der Elektrolyträume und das damit verbundene Auslaufen der Elektrolytflüssigkeit
aus dem Vorratstank bei Schräglage des Brennstoffzellenaggregates verhindert.
Schließlich könnten auch bei stehender Pumpe und bei unter Druck stehenden Gasräumen durch Leckagen
Reaktionsgase aus den Gasräumen in die Elektrolyträume übertreten und die Elektrolytflüssigkeit aus der
Brennstoffbatterie in den Vorratstank zurückdrücken, wodurch diese dann durch die Entlüftungsleitung
entweichen könnte. Dies wird beim erfindungsgemäßen nPnnr,plnff-.oltnn.,n«rörtn( Λιι.·οΚ αίηη Runner 1 oWonrr
verhindert, die den Batterieausgang, d. h. eine Umlenk- do
zelle für die Elektrolytflüssigkeit, die zwischen der Brennstoffbatterie und dem Elektrolytregenerator angeordnet
ist, mit dem Vorratstank verbindet. Dadurch kann in die Elektrolyträume übergetretenes Gas aus der
Batterie entfernt werden, ohne daß die angegebenen r>s Störungen auftreten.
Im stillgesetzten Zustand ist das Brennstoffzellenaggregat
durch Membranventile von den Druckgasleitungen für die Reaktionsgase getrennt. Soll das Aggregat in
Betrieb genommen werden, so wird durch ein pneumatisches, von Hand betätigtes Ventil über eine
Steuerleitung und ein Reduzierventil eines der Reaktionsgase, beispielsweise Wasserstoff, in den Elektrolytregenerator
geleitet, und zwar in die Kondensationsräume der Wasserabreicherungseinheiten. Dadurch entsteht
in diesen Kondensationsräumen ein Gasdruck, der die Asbestmembranen, die die Kondensationsräume
von den Elektrolyträumen trennen und zur Diffusion des Reaktionswassers aus der Elektrolytflüssigkeit dienen,
gegen den Druck der Elektrolytflüssigkeit, der beim Einschalten der Batterie auftritt, abstützt. Bei einem
erreichten Mindestdruck, beispielsweise etwa 1,3 bar, wird im Steuerungsteil des Brennstoffzellenaggregates
für jeden der beiden Reaktanten ein Membranventil geöffnet, wodurch die beiden Reaktanten in das
Aggregat einströmen können. Durch die dann einsetzende chemische Reaktion wird eine Spannung erzeugt.
Beim Erreichen einer unteren Grenzspannung wird über ein Magnetventil der Steuerdruck für die beiden
Membranventile eingeschaltet und das pneumatische Ventil wird abgeschaltet. Das Brennstoffzellenaggregat
ist nun betriebsbereit und regelt sich automatisch. Um ein selbsttätiges Einschalten des Brennstoffzellenaggregates
infolge schadhafter Membranventile auszuschließen, kann das pneumatische Ventil mit einem elektrischen
Ventil gekoppelt werden.
Vorteilhaft kann vor das Membranventil für das Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, eine Drossel
vorgeschaltet sein, wodurch dieses Membranventil später geöffnet wird als das Membranventil für den
Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff. Dadurch wird erreicht, daß zuerst der Brennstoff und dann erst das
Oxidationsmittel in die Brennstoffbatterie strömt. Wird die Batterie unter Last hochgefahren, so würde nämlich
bei gleichzeitigem Einströmen von Wasserstoff und Sauerstoff in die Gasräume der Brennstoffelemente
möglicherweise ein kritisches Wasserstoffpotential, -78OmV gemessen gegen Hg/HgO, unterschritten,
was zu einer Schädigung der Wasserstoffelektroden führen kann. Dies wird durch die Verwendung der
Drossel vermieden.
Beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaggregat sind sämtliche Steuerungshilfsgeräte, wie Ventile, in
einer gemeinsamen Grundplatte eingebaut, die sich an den Elektrolytvorratstank anschließt und das Aggregat
auf der einen Seite begrenzt.
Die Reaktionsgase werden im Brennstoffzellenaggregat durch die Brennstoffbatterie, d. h. durch die
Gasräume, kaskadenförmig geführt. Dabei sammeln sich inerte Gasanteile in der letzten Kaskadenstufe, die
beispielsweise aus einer Zelle besteht, an, wodurch die Spannung der letzten Kaskadenstufe absinkt. Durch
Vergleich mit der mittleren Zellenspannung wird ein Signal erhalten, das elektronisch zum öffnen eines
Ventils verwendet wird, wodurch die inerten Anteile ausgespült werden und die Spannung wieder ansteigt.
Γϊαγ Anrfnll A~- c~;:i~: :.ti :_* λ u j:-. i'n.nrnn.
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chung der Batteriespannung gesichert. Spricht die Temperatur- oder die Spannungsüberwachung an, so
schließt sich das bereits erwähnte Magnetventil und entlüftet gleichzeitig den Steuerkreis. Dadurch schließen
sich die Membranventile, die Spülventile öffnen sich und die Spannung bricht zusammen. Durch die
Verwendung der in den Reaktionsgasen enthaltenen Druckenergie und durch die pneumatisch-elektrische
Steuerung kann auf eine elektrische Hilfsenergie zum
Starten des Brennstoffzellenaggregates verzichtet werden.
Anhand zweier Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt
F i g. 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregates mit den Elektrolytleitungen
und
F i g. 2 den Steuerungsteil und die Gasleitungen der beispielhaften Ausführungsform dieses Brennstoffzellenaggregates.
In der schematischen F i g. 1 ist mit 10 das Brennstoffzellenaggregat bezeichnet. In diesem Brennstoffzellenaggregat
sind, in dieser Reihenfolge, folgende Einzelteile in einer Baueinheit angeordnet: Ein Steuerungsteil
11, ein Vorratstank 12 für den Elektrolyten, ein ,5 Kühler 13, eine Druckschleuse 14, ein Elektrolytregenerator
15 und zwei Brennstoffbatterien 16 und 17. Bei 18 und 19 werden dem Brennstoffzellenaggregat auf der
Seite des Steuerungsteiles die Reaktionsgase, Wasserstoff bzw. Sauerstoff, zugeführt. Das Restgas, d. h. die
unverbrauchten Reaktionsgase bzw. deren Inertgasanteile, verläßt das Brennstoffzellenaggregat durch die
Leitung 20. Die Leitungen 21 und 22 dienen der Zuführung bzw. Ableitung des Kühlmediums. Durch die
Leitung 23 kann das bei der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffbatterien entstehende
Reaktionswasser aus dem Aggregat abgeführt werden. Die Steuerung erfolgt mit Hilfe des Magnetventils 24,
das auch eine Rückführung des Reaktionswassers über die Leitung 25 in den Vorratstank 12 bewirken kann. Die J0
Elektrolytpumpe 26 transportiert die Elektrolytflüssigkeit im Kreislauf durch das Brennstoffzellenaggregat.
Die Elektrolytflüssigkeit nimmt dabei in der durch Pfeile angedeuteten Weise den Weg über den Elektrolytkanal
27, tritt in zwei Hauptkanäle 28 und 29 ein und durchströmt die Elektrolyträume der einzelnen Brennstoffelemente
(die in der Figur nicht dargestellt sind) der Brennstoffbatterien 16 und 17 durch Leitungen 30. Nach
Durchströmen der Brennstoffelemente wird die Elektrolytflüssigkeit in den Hauptkanälen 31 und 32 zum
batterieseitigen Ende des Aggregates zurückgeführt, gesammelt und in einen gemeinsamen Kanal 33 dem
Elektrolytregenerator 15 zugeführt Dort wird die Elektrolytflüssigkeit in einer Umlenkzelle, die in der
Figur nicht dargestellt ist, abwärts geleitet. Der Elektrolytregenerator 15 enthält in der Figur nicht
dargestellte Wasserabreicherungseinheiten, die jeweils aus einem Elektrolytraum, einem davon durch eine
Asbestmembran abgetrennten Kondensationsraum und einem vom Kondensationsraum durch eine nicht poröse
Kondensationsfläche abgetrennten Kühlraum bestehen. Wie durch die Bezugsziffern 35 angedeutet ist,
durchströmt der Elektrolyt, ausgehend von einer gemeinsamen Leitung 34, parallel die Elektrolyträume
sowohl des Elektrolytregenerators als auch des Kühlers. Im Kühler 13 sind dabei nebeneinander Elektrolyträume
und Kühlräume angeordnet. Durch die Kühlräume fließt das Kühlmedium, das die Elektrolytflüssigkeit auf der
gewünschten Temperatur hält. Nach Durchströmen der Elektrolyträume des Elektrolytregenerators und des
Kühlers wird die Elektrolytflüssigkeit in einem gemeinsamen Kanal 36 in den Elektrolytregenerator zurückgeführt,
dort umgelenkt und schließlich in den Vorratstank 12 zurücktransportiert.
Das in den Kondensationsräumen des Elektrolysegenerators
kondensierte Reaktionswasser wird mit Hilfe eines dem Elektrolytregenerator, d.h. den
Kondensationsräumen der Wasserabreicherungseinheiten, zugeführten Hilfsgases in die Druckschleuse
transportiert. Die Druckschleuse kann aus einem Gasraum bestehen, der durch ein flüssigkeitsdurchlässiges
Asbestdiaphragma von einem Flüssigkeitsraum getrennt ist. Das Reaktionswasser gelangt von den
Kondensationsräumen der Wasserabreicherungseinheiten (im Elektrolytregenerator) in den Gasraum der
Druckschleuse, wird mit Hilfe des Hilfsgases durch die Asbestmembran in den Flüssigkeitsraum gedrückt,
gelangt von dort über die Leitung 37 zum Aggregatende und wird in der beschriebenen Weise mit Hilfe des
Magnetventiles entweder nach außen abgegeben oder in den Vorratstank für die Elektrolytflüssigkeit zurückgeführt.
Zur Überwachung der Elektrolytflüssigkeit dienen ein Konzentrationsfühler 38 und ein Temperaturfühler
39, die beide am Vorratstank 12 angebaut sind. Eine Bypass-Leitung 40 verbindet den Ausgang der
Brennstoffbatterie 16, d.h. die nicht dargestellte Umlenkzelle, mit dem Vorratstank 12. In der Bypass-Leitung
kann eine Drossel mit kleinem Querschnitt oder ein Ventil angeordnet sein, das beim Betrieb des
Aggregates geschlossen, beim Stillstand geöffnet ist.
In F i g. 2 sind die Steuerungshilfsgeräte dargestellt, die der Anfahrsteuerung des Brennstoffzellenaggregates
dienen, und die auch im Steuerungsteil 11 untergebracht sind. Gleiche Teile sind in Fig.2 mit
denselben Bezugsziffern versehen wie in Fig. 1. Die Vorrichtungen im Steuerungsteil 11, die bereits in F i g. 1
dargestellt wurden, sind der Übersichtlichkeit halber in F i g. 2 nicht mehr dargestellt.
Durch eine Leitung 51 wird dem Brennstoffzellenaggregat 10 Wasserstoff und durch eine Leitung 52
Sauerstoff zugeführt. Bei Inbetriebnahme des Aggregates wird das pneumatische Ventil 53 betätigt, wodurch
der Wasserstoff über die Steuerleitung 54, das Magnetventil 55, das Reduzierventil 56 und die Leitung
57 in die Kondensationsräume des Elektrolytregenerators 15 strömt. Bei Erreichen eines Mindestdruckes
öffnen die Membranventile 58 und 59 in den Zufuhrleitungen für Wasserstoff bzw. Sauerstoff, wodurch
diese Reaktionsgase durch die Leitungen 65 und 66 in die Batterie einströmen können. Dazu sind die
Membranventile 58 und 59 über Leitungen 60 bzw. 61 an die Leitung 57 angeschlossen. In der Leitung 61 ist dabei
eine Drossel 62 angeordnet, wodurch das Membranventil 59 später geöffnet wird als das Membranventil 58.
Erreicht die Spannung des Brennstoffzellenaggregates eine untere Grenzspannung, so wird der Steuerdruck für
die Membranventile 58 und 59 über das Magnetventil 55 eingeschaltet und das pneumatische Ventil 53 kann
gelöst werden. Das Aggregat ist dann betriebsbereit und regelt sich automatisch. Die Reaktionsgase durchströmen
die einzelnen Brennstoffelemente kaskadenförmig. Über die Ventile 63 und 64 in den Gasabführungsleitungen
67 und 68 wird die Ausbringung der unverbrauchten Rcäkiionägüsc bzw. derer· lr.ertg2S2P.tei!s aus d?m
Brennstoffzellenaggregat gesteuert. Vor dem Verlassen des Brennstoffzellenaggregates werden diese Gase
jedoch, wie bereits beschrieben, dem Elektrolytvorratsbehälter zugeführt und dann als Restgas aus dem
Aggregat entfernt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 709 544/147
Claims (1)
1. Brennstoffzellenaggregat zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umsetzung von gasförmigen
Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten, der im Kreislauf geführt ist, mit einer aus einer Mehrzahl
von Brennstoffelementen aufgebauten Brennstoffbatterie, einem die äußere Gestalt eines Brennstoffelementes
aufweisenden, am Ende der Brennstoffbatterie angeordneten Elektrolytregenerator, einer
Druckschleuse und einem Kühler, dadurch gekennzeichnet, daß das Aggregat (10) in
kompakter Bauweise in einem gemeinsamen Gehäuse wenigstens eine Brennstoffbatterie (16, 17), den
Eleklrolytregenerator (15), die Druckschleuse (14), den Kühler (13), einen Vorratstank (12) und einen
Steuerungsteil (11) enthält, wobei die einzelnen Bauteile in dieser Reihenfolge angeordnet sind und
gleiche Querschnittsabmessungen haben, daß sämtliche Leitungen und Verbindungen zwischen den
Einzelteilen des Aggregats innerhalb des gemeinsamen Gehäuses untergebracht sind, daß die Zu- und
Abführung der gasförmigen Reaktanten (18,19; 20) und eines Kühlmediums (21; 22) auf derjenigen Seite
des Aggregats (10) erfolgt, an der der Steuerungsteil
(11) angeordnet ist, daß im Elektrolytkreislauf der Vorratstank (12) mit der Brennstoffbatterie (16, 17)
verbunden und diese über den Elektrolytregenerator (15) und den Kühler (13) wieder an den Vorratstank
(12) angeschlossen ist, wobei die Elektrolytflüssigkeit den Elektrolytregenerator (15) und den Kühler
(113) parallel durchströmt, daß zwischen der Brennstoffbatterie (16) und dem Vorratstank (12) eine
Bypass-Leitung (40) angeordnet ist, daß im Steuerungsteil (11) in den Zuführungsleitungen (51,52) für
die gasförmigen Reaktanten Membranventile (58, 59) angeordnet sind, daß eine Steuerleitung (54) mit
einem pneumatischen Ventil (53) und einem
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2836464A1 (de) * | 1978-08-21 | 1980-02-28 | Siemens Ag | H tief 2/o tief 2-brennstoffbatterie |
Also Published As
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