DE2215060B2 - Brennstoffzellensystem mit elektrolytkreislauf - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellen-System mit Elektrolytkreislauf und Luftkathoden, wobei für den Elektrolytkreislauf ein einen Füllstandsfühler enthaltender Elektrolytbehälter und eine Elektrolytpumpe vorgesehen sind, die in Reihe mit der Brennstoffzellenbatterie geschaltet sind.

Für die Wartungsfreiheit des Systems ist die Ausbringung des Reaktionswassers im richtigen Maße ent- »cheidend, d. h. im Zeitmittel muß ebenso viel Wasser lusgebracht werden wie mit dem Strom entsteht. Um dies unter variablen Betriebsbedingungen (unterschiedliche Strombelastung der Brennstoffzellenbatterie, unterschiedliche Lufttemperatur und -feuchte, unterschiedlicher Wärmeisolatiionsfaktor des Brennstoffzellensystems nach außen hin) des Brennstoffzellensy-Items zu erreichen, ist eine Regelung der Wasserausbringung erforderlich.

Die Wasserausbringung kann bei entsprechender Ausbildung der Elektroden über die Gasströmung, vorlugsweise 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 lu gewährleisten. Infolgedessen erfordert die Regelung der Wasserausbringung besondere Bauteile und Maßnahmen. Wird das Wasser nicht über die Elektroden ausgebracht, so ist ein zusätzliches Aggregat zur Wasserabreicherung des Elektrolyten und eine geeignete Steuerung in Abhängigkeit von der Konzentration des Elektrolyten notwendig. Wird das Wasser über die Elektroden ausgebracht, 5.0 ist die Nachschaltung eines Aggregats zur Rückgewinnung übermäßig ausgebrachten Wassers und dessen geeignete Steuerung erforderlich.

Es ist bereits ein Wasserstoff-Zirkulationssystem für ein Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffelement bekannt, wobei zwecks Kühlung des Elementes während des Arbeitens eine Zirkulation des Wasserstoffes nicht nur erfolgen soll, wenn sich der Differentialaruck zwischen dem Wasserstoff und dem Elektrolyten infolge Zunahme des Elektrolytvolumens durch das gebildete Wasser verringert, sondern auch dann, wenn die Temperatur in dem Brennstoffelement eine bestimmte Höhe erreicht hat (DT-AS 11 83 563).

Es ist auch eine Regelanlage an einer elektrolytischen Brennstoffzelle bekannt, wobei das Reaktionswasser über den Wasserstoffkreislauf entfernt wird (CH-PS 4 24 884).

Es ist ferner eine Anlage zur Konstanthaltung einer vorgegebenen Ausgangsspannung eines Brennstoffelementes durch Steuerung der Zirkulation des Wasserstoffes bekannt, wobei neben der Konstanthaltung der Temperatur des Elementes und damit der Ausgangsspannung zusätzlich zur Regelung der Temperatur des zurückgeführten Wasserstoffes auch noch die Menge des zurückgeführten Wasserstoffes geregelt wird (DT-AS 12 75 175).

Schließlich ist auch eine transportable Versorgungsanlage mit mehreren Brennstoffzellensätzen bekannt, die in einem äußerem Gehäuse sternförmig angeordnet sird; koaxial ist im Inneren dieses Gehäuses ein Luftleitschacht angeordnet, in welchem sich ein Motor mit einem Kühlventilator befindet. Gehäuse und Luftschacht haben Luftein- und -auslasse; im Luftleitschacht ist eine Relaisschaltung angeordnet, die auf den Füllstand des Elektrolyten eines oder mehrerer Zellensätze anspricht, wodurch die Drehzahl des Motors entsprechend geändert wird. Die Strömungsgeschwindigkeit der zirkulierenden Kühlluft ändert sich in Abhängigkeit vom Signal eines Elektrolyt-Füllstaudsfühlers, das auf den die Kühlluft erzeugenden Motor einwirkt (US-PS 31 60 528).

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 wartungsfreien Betrieb bei gleichmäßig verfügbarer Leistung unter variablen Betriebsbedingungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindunsgemäß dadurch gelöst, daß am Elektrolytbehälter eine steuerbare Heizung und ein Temperaturfühler für die Elektrolyttemperatur angeordnet sind und die Heizung über ein Schaltglied von dem Temperaturfühler, dem Füllstandsfühler und von der Batteriespannung beeinflußt wird, daß ferner ein Elektrolytkühler vorgesehen ist, der über ein Dreiwegeventil entweder mit der Batterie-Elektrolytausgangsleitung und mit dem Elektrolytbehälter verbunden oder über eine Elektrolytleitung kurzschließbar ist und daß das Dreiwegeventil über ein Schaltglied vom Füllstandsfühler und Temperaturfühler beeinflußt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausfiihrungsbeispieles näher erläutert.

Innerhalb eines Temperaturisoliergehäuses 1 befinden sich ein oder mehrere Wasserstoff-Luft-Brennstoffzellenbatterien 2, für den Elektrolytkrcislauf ein Dreiwegeventil 3, ein Elektrolytbehälter 4 mit in diesem angeordneter Elektrolytheizung 5, ein Temperaturfühler 6 für die Elektrolyttemperatur und ein Füllstandsmesser 7 mit einer oberen und unteren Kontaktmarke 8. 9 zur Bestimmung der Elektrolytmengc, ferner eine Elektrolytpumpe 10 für die Umpumpung des Elektrolyten und für die Wasserstoffversorgung der Rrennstoffelektroden der Batterie 2 ein dieser vorge-

schaltetes festeingestelltes Reduzierventil 11 und nachgeschaltet ein Ventil 13 für die Spülung der Wasserstoffräume. Ferner ist im Sauerstoffkreii in der Leitung 14 ein Druckventil 15 angeordnet Ebenfalls befindet sich im isoliergehäuse 1 für die Sauerstoffversorgung der Batterie 2 eine Luftpumpe 19, welche elektrisch betrieben wird, aber auch von außen von Hand 1 etätigt werden kann, um das Brennstoffzellensystem ohne Fremstro: .'.quelle anzufahren.

Außerhalb des Isoliergehäuses 1 ist ein Elektrolytkühler 16 angeordnet, der über eine Leitung 17 mit dem Dreiwegeventil 3 und über eine Leitung 18 mit dem FJektrolytbehälter 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 Elektrolytbehäl'er 4 oder über die Leitung 17 in den Elektrolytkühler 16 und dann erst über die Leitung 18 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 2.

Das Dreiwegeventil 3 wird über ein Schaltglied 25 von den Meßspannungen des Temperaturfühlers 6 für den Elektrolyten und des Füllstandsmessers 7 beeinflußt.

Die Elektrolytheizung 5 wird über ein Schaltglied 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 30 beeinflußt, welches von der Spannung des Spannungs-Meßgebers 29 angesteuert wird.

Die Luftpumpe 19 wird über ein Schaltglied 31 bceinflußt. 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 4 und ferner eine Regelung des Luftdurchsatzes der Sauerstoffelektroden der Batterie 2 in Abhängigkeit vom Belastungsstrom der Batterie.

Erreicht dei 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 Dreiwegeventil 3 so schaltet, daß der Elekirolytkühler 16 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 8 des Füllstandsmessers 7, so gibt der Füll-Standsmesser ein Signal an das Schaltglied 26 für die Elektrolytheizung 5, 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 Luftelektroden 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 weiter zweckmäßig, den Luftdurchsatz der Luftelektroden zu steuern.

Mit steigerndem 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.

Das Druckventil 15 sorgt dafür, daß bei eingeschalteter Luftpumpe 19 unabhängig von deren Leistung ein bestimmter Mindestdruck für die einwandfreie Funktion der Luftelektroden zur Verfügung 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 Luftüberschuß so groß ist, daß in jedem Fall die nötige Reaktionswassermenge abgeführt wird.

Die Regelung der Ausbringung mit Hilfe der Arbeitstemperatur der Brennstoffzellenbatterie ist bei einer mit positiven Kohleelektroden ausgestatteten Batterie mit Vorteil anwendbar, da deren elektrische Leistung nur wenig von der Arbeitstemperatur abhängt (S 10% zwischen 40 und 90⁰C Arbeitstemperatur), so daß keine Überbemessung der Brennstoffzellenbatterie erforderlich ist.

Die Arbeitstemperatur der Batterie 2 wird also innerhalb von 40 bis 90⁰C gehalten, indem die Elektrolytlemperatur auf die Heizung 5 bzw. die Kühlung 16 beim Erreichen der Grenztemperaturen 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 Wassermenge steigt.

Grundsätzlich ist diese Art der Regelung des Wasserhaushaltes für alle Brennstoffzellensysteme mit umgewälztem Elektrolyten anwendbar, auch wenn diese keine geeigneten Luftelcktroden 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 bis +50⁰C Lrfttemperatur erreicht, ohne daß anfällige und teuere Regelaggregate nötig sind, wie beispielsweise Gaspumpen für Brenngase, Wasser-Spaltverdampfer, Abluftkor.densator zur Rückgewinnung von Wasser.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Brennstoffzellensystem mit Elektrolytkreislauf und Luftkathoden, wobei für den Elektrolytkreislauf ein einen Füllstandsfühler enthaltender Eieklrolytbehälter und eine Eleltrolytpumpe vorgesehen sind, die in Reihe mit der Brennstoffzellenbatterie geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Elektrolytbehälter (4) eine steuerbare Heizung (5) und ein Temperaturfühler (6) für die Elektrolyttemperatur angeordnet sind und die Heizung (5) über ein Schaltglied (26) von dem Temperaturfühler (6), dem Füllstandsfühler (7) und von der Batteriespannung (29) beeinflußt wird, daß ferner ein Elcktrolytkühler (16) vorgesehen ist, der über ein Dreiwegeventil (3) entweder mit der Batterie-Elektrolytausgangsleitung (21) und mit dem Eleklrolytbehälter (4) verbunden oder über eine Elektrolytleitung (22) kurzschließbar ist und daß das Dreiwegeventil (3) über ein Schaltglied (25) vom Füllstandsfühler (7) und Temperaturfühler (6) beeinflußt wird.