DE2215060A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem

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Gerhard Louis
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Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH 6 Frankfurt, Theodor-Stern-Kai 1
Schub/er F ?2/28
Brennstoffzellensystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit umgewälztem Elektrolyten und Luftkathoden.
Für die Wartungsfreiheit des Systems ist die Ausbringung des Reaktionswassers im richtigen Maße entscheidend, d, h. im Zeitmittel muß ebenso viel Wasser ausgebracht werden wie mit dem Strom entsteht. Um dies unter variablen Betriebsbedingungen (unterschiedliche Strombelastung der Brennstoffzellenbatterie, unterschiedliche Lufttemperatur und -feuchte, unterschiedlicher Wärraeisolationsfaktor des Brennstoffzellensysteras nach außen hin) des Brennstoffzellensystems zu erreichen, ist eine Regelung der Wasserausbringung erforderlich. - 2 -
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Die Wasserausbringung kann bei entsprechender Ausbildung der Elektroden über die Gasströmung, vorzugsweise über die Luftkathoden, erfolgen, so daß kein besonderes Bauteil für die Wasserausbringung erforderlich, ist. Bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen erfolgt eine entsprechende Wasserverdunstung an den Gasseiten der Elektroden. .
Bei bekannten Brennstoffzellensystemen wird die Betriebstemperatur möglichst konstant gehalten, um trotz der starken Temperaturabhängigkeit der Leistung dieser Brennstoffzellen eine gleichbleibende Leistung zu gewährleisten. Infolgedessen erfordert die Regelung der Wasserausgabe besondere Bauteile und Maßnahmen. Wird das Wasser nicht über die Elektroden ausgebracht, so ist ein zusätzliches Aggregat zur Wasserabreichemng des Elektrolyten und eine geeignete Steuerung in Abhängigkeit von der Konzentration des Elektrolyten notwendig. Wird das Wasser über die Elektroden ausgebracht, so ist die Nachschaltung eines Aggregaten zur Rückgewinnung übermäßig ausgebrachten Wassers und dessen geeignete Steuerung erforderlich.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Gas-Brennstoffzellensystem zu schaffen, das sowohl ohne zusätzliches Aggregat zur Wasserausbringung, als auch ohne ein Aggregat zur Wasserrückgewinnung einen völlig wartungs-
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freien Betrieb bei gleichmäßig verfügbarer Leistung unter variablen Betriebsbedingungen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
eine Regelung der Arbeitstemperatur der Brennstoffzellenbatterie in Abhängigkeit von der Elektrolytverdünnung
derart erfolgt, daß bei zu hoher Verdünnung die Arbeitstemperatur erhöht und bei zu geringer Elektrolytverdünnung die Arbeitstemperatur erniedrigt wird«
Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes
sind den UnteranSprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. t
Innerhalb eines Temperaturisoliergehäuses 1 befinden sich ein oder mehrere Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelleribatterien 2f für den Elektrolytkreislauf ein Dreiwegeventil 3, ein Elektrolytbehälter 4 mit in diesem angeordneter Elektrolytheizung 5i ©*** Temperaturfühler 6 für die Elektrolyttemperatur und ein Füllstandsmesser 7 mit einer oberen und unteren Eontaktmarke 8, 9 zur Bestimmung der Elektrolytmenge, ferner eine Elektrolytpumpe 10 für die Umpumpung
des Elektrolyten und für die Wasserstoffversorgung der
Anoden der Batterie 2 ein dieser vorgeschaltetes festein-
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gestelltes Reduzierventil 11 und nachgeschaltet ein Ventil 13 für die Spülung der Wasserstoffräume. Ferner ist im Sauerstoffkreis in der Leitung 14 ein Druckventil I5 angeordnet. Ebenfalls befindet sich im Isoliergehäuse 1 für die Sauerstoffversorgung der Kathoden der Batterie 2 eine Luftpumpe 19» welche elektrisch betrieben wird, aber auch von außen von Hand betätigt, werden kann, um das Brennstoffzellensystem ohne Fremdstromquelle anzufahren.
Außerhalb des Isoliergehäuses 1 ist ein Elektrolytkühler l6 angeordnet, der über eine Leitung 17 mit dem Dreiwegeventil 3 und über eine Leitung l8 mit dem Elektrolytbehälter 4 verbunden ist.
Die Batterie 2 ist über eine Elektrolytauslaßleitung 21 mit dem Dreiwegeventil 3 verbunden, so daß der Elektrolyt von diesem Ventil 3 entweder direkt über eine Leitung 22 in den Elektrolytbehälter 4 oder über die Leitung 17 in den Elektrolytkühler l6 und dann erst über die Leitung in den Elektrolytbehälter 4 gelangt. Der Elektrolyt fließt aus dem Behälter 4 über eine Leitung 23 in die Elektrolytpumpe 10 und über die Leitung 24 wieder in die Batterie
Das Dreiwegeventil 3 wird über ein Schaltglied 25 von den Heßspannungen des Temperaturfühlers 6 für den Elektrolyten und des Füllstandsmessers 7 beeinflußt.
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Die Elektrolytheizning 5 wird über ein Scha^tglied 26 von den Meßspannungen des Temperaturfühlers 6, des Füllstandsmessers 7 und eines an die Anschlüsse 27» 28 der Batterie 2 geschalteten Spannungs-Meßgebers 29 beeinflußt«
Das Spülventil 13 wird über ein Schaltglied 3O beeinflußt, welches von der Spannung des Spannungs-Meßgebers 29 angesteuert wird,
Die Luftpumpe 19 wird über ein Schaltglied 31 beeinflußt, das über einen Strom-Meßgeber 32 vom Batteriestrom beeinflußt wird*
Nachstehend wird die Wirkungsweise des Systems näher erläutert.
Es erfolgt eine Regelung der Arbeitstemperatur der Batterie 2 in Abhängigkeit von der Elektrolytmenge im Behälter und ferner eine Regelung des Luftdurchsatzes der Kathoden der Batterie 2 in Abhängigkeit vom Beiastungsstrom der Batterie. ■
Erreicht der Elektrolytspiegel 33 den unteren Meßkontakt 9 des Füllstandsmessers 7 (dies ist ein Zeichen, daß zuviel Wasser ausgebracht ist), so gibt der Füllstandsmesser 7 ein Signal an das Schaltglied 25, welches das Dreiwege-»
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ventil 3 so schaltet, daß der Elektrolytkühler l6 eingeschaltet wird. Dadurch sinkt die Arbeitstemperatur des Elektrolyten und der Elektroden der Batterie 2, so daß diese weniger Wasser verdunsten lassen.
Erreicht der Elektrolytspiegel 33 den oberen Meßkontakt des Füllstandsmessers 7» so gibt der Füllstandsmesser ein Signal an das Schaltglied 26 für die Elektrolytheizung 5V so daß diese damit eingeschaltet wird. Durch die eingeschaltete Elektrolytheizung 5 wird die Arbeitstemperatur des Elektrolyten erhöht, so daß die Verdunstung und damit auch die Wasserausbringung steigt. Zweckmäßig sind die Luftkathoden derart bemessen, daß der für die Ausbringung des maximal möglichen Wasseranfalls nötige Luftdurchsatz erreicht wird und somit ein gesondertes Bauteil zur Reaktionswasserentfernung entfällt.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems ist es veiter zweckmäßig, den Luftdurchsatz der Kathoden zu steuern.
KLt steigendem Batteriestrom gibt der Strom-Meßgeber 32 ein entsprechendes Signal an das Schaltglied 31, welches dadurch derart auf die Luftpumpe 19 einwirkt, daß auch deren Leistung gesteigert wird (entweder proportional oder in Stufen) und dadurch die von den Luftkathoden abgeführte ,Wassermenge steigt· _
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Das Druckventil I5 sorgt dafür, daß bei eingeschalteter Luftpumpe 19 unabhängig von deren Leistung ein bestimmter Mindestdruck für die einwandfreie Punktion der Luftkathoden zur "Verfugung steht, indem dieses Ventil 15 erst von diesem Mindestdruck an öffnet.
Durch Justierung des Mindestdruckes des Druckventils 15 und der. Pumpleistung der Luftpumpe 19 kann die Wasserausbringungscharakteristik des Brennstoffzellensystems derart eingestellt -werden, daß bei geringer Belastung des Systems der Luftdurchsatz der Kathoden gerade den Sauerstoffbedarf deckt und wenig Wärme und Wasser abgeführt wird, während bei hoher Belastung der Luftüherschuß so groß ist, daß in jedem Fall die nötige Reaktionswassermenge abgeführt wird. ·
Die Regelung der Ausbringung mit Hilfe der Arbeitstemperatur der Brennstoffzeilenbatterie ist bei einer mit Kohlekathoden ausgestatteten Batterie mit Vorteil anwendbar, da deren elektrische Leistung nur wenig von der Arbeitstemperatur abhängt (= 10 % zwischen kO und 90 °C Arbeitstemperatur) , so daß keine Überbeines sung der Brennstoffzellenbatterie erforderlich ist«
Die Arbeitstemperatur der Batterie 2 wird also innerhalb von 4O bis 90 °C gehalten, indem die Elektrolyttemperatur
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auf die Heizung 5 bzw, die Kühlung l6 beim Erreichen der Grenzteraperatüren wirkt. Unterstützt wird diese Regelung durch die weitere Regelung des Luftdurchsatzes der "'- ' Kathoden in Abhängigkeit vom Batteriestrom, wobei mit steigendem Batteriestrom die Leistung der Luftpumpe 19 und damit auch die von den Kathoden abgeführte VJassermenge steigt.
Grundsätzlich ist diese Art der Regelung des Wasserhaushaltes für alle Brennstoffzellensysteme mit umgewälztem Elektrolyten anwendbar, auch wenn diese keine geeigneten Luftkathoden besitzen, sondern die Wasserausbringung beispielsweise in einem separaten, auf Verdampfung beruhenden Aggregat geschieht.
Durch die Erfindung ist ein einfaches Brennstoffzellensystem zur kontinuierlichen, wartungsfreien Stromerzeugung unter Umgebungsbedingungen von etwa -10 0C bis +50 °C Lufttemperatur erreicht, ohne daß anfällige und teuere Regelaggregate nötig sind, wie beispielsweise Gaspumpen für Brenngase, Wasser-Spaltverdampfer, Abluftkondensator zur Rückgewinnung von Wasser.
Patentansprüche
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Claims (2)

  1. Licentia
    Pat ent-Verwaltungs-GmbH . 6 Frankfurt, Theοdor-Stern-Kai 1
    Schub/er F 72/28
    Patentansprüche
    ϊ) Brennstoffzellensystem mit umgewälztem Elektrolyten und Luftkathoden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung der Arbeitstemperatur der Breimstoffzellenbatterie (2) in Abhängigkeit von der auftretenden Elektrolytverdünnung derart erfolgt, daß bei zu hoher Verdünnung die Arbeitstemperatur erhöht und bei zu geringer Elektrolytverdünnung die Arbextstemperatur erniedrigt wird,
  2. 2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung des Luftdurchsatzes der Kathoden der Batterie (2) in Abhängigkeit vom Batteriestrom (32) derart erfolgt, daß im Leerlauf eine den Luftdurchsatz bewirkende Luftpumpe (19) derart langsam
    309842/0586
    - ff - (Patentansprüche)
    läuft, daß eine gerade notwendige Gasversorgung der Kathoden erreicht ist und daß mit steigender Belastung auch die Leistung der Luftpumpe (19) steigt.
    3« Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftpumpe (19) mit einem im gleichen Kreis angeordneten Druckventil (15) zusammenarbeitet und durch Justierung des Mindestdruckes des Ventiles (15) und der maximalen Pumpleistung der Luftpumpe (19) die Wasserausbringungscharakteristik des Brennstoffzellensystems eingestellt wird.
    309842/0586
DE19722215060 1972-03-28 1972-03-28 Brennstoffzellensystem mit Elektrolytkreislauf Expired DE2215060C3 (de)

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NL7304305A (de) 1973-10-02
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