DE2215060C3 - Fuel cell system with electrolyte circuit - Google Patents
Fuel cell system with electrolyte circuitInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem 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.The invention relates to a fuel cell system with an electrolyte circuit and air cathodes, wherein for the electrolyte circuit, an electrolyte container containing a level sensor and an electrolyte pump are provided, which are connected in series with the fuel cell battery.
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 Wärmeisolationsfaktor des Brennstoffzellensystems nach außen hin) des Brennstoffzellensystems zu erreichen, ist eine Regelung der Wasserausbringung erforderlich.For the system to be maintenance-free, it is crucial that the reaction water is applied to the correct extent, d. H. in the time average, just as much water has to be brought out as is produced with the electricity. Around this under variable operating conditions (different current loads of the fuel cell battery, different Air temperature and humidity, different thermal insulation factors of the fuel cell system to the outside) of the fuel cell system is to regulate the water output necessary.
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.With a corresponding design of the electrodes, the water can preferably be discharged via the gas flow via the air cathodes, so that no special component is required for the application of water is. With different operating conditions, a corresponding water evaporation takes place on the Gas sides of the electrodes.
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 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 Abhängigkeil von der Konzentration des Elektrolyten notwendig. Wird das Wasser über die Elektroden ausgebracht, so ist die Nachschaltung eines Aggregats zur Rückgewinnung übermäßig ausgebrachten Wassers und dessen geeignet.· Steuerung erforderlich. In known fuel cell systems, the operating temperature is kept as constant as possible in order to Despite the strong temperature dependence of the performance of these fuel cells, a constant performance to guarantee. As a result, the regulation of the water application requires special components and measures. If the water is not applied via the electrodes, there is an additional unit for water depletion of the electrolyte and a suitable control depending on the concentration of the Electrolytes necessary. If the water is applied via the electrodes, the downstream connection is one Unit suitable for the recovery of excessively discharged water. · Control required.
Es ist bereits ein WassetMoffZirkulationssystem für ein Sauerstoff-Wnsserstoff Brennstoffelement bekannt, wobei zwecks Kühlung des Elementes während des Ar-There is already a WassetMoff circulation system for an oxygen-hydrogen fuel element known, wherein for the purpose of cooling the element during operation
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beitens eine Zirkulation des Wasserstoffes nicht nur erfolgen soll, wenn sich der Differentialdruck 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).A circulation of the hydrogen should not only take place when the differential pressure is between the hydrogen and the electrolyte as a result of increase of the electrolyte volume is reduced by the water formed, but also when the temperature is in the fuel element has reached a certain height (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).A control system on an electrolytic fuel cell is also known, the water of reaction being removed via the hydrogen cycle (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).It is also a system for keeping a given output voltage of a fuel element constant known by controlling the circulation of hydrogen, in addition to keeping the Temperature of the element and thus the output voltage in addition to regulating the temperature of the recirculated hydrogen, the amount of recirculated hydrogen is also regulated (DT-AS 12 75 175).
Schließlich ist auch eine transportable Versorgungsanlage mit mehreren Brennstoffzellensätzen bekannt, die in einem äußerem Gehäuse sternförmig angeordnet sind; 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 Signa! eines Elektrolyt-Füllstandsfühlers, das auf den die Kühlluft erzeugenden Motor einwirkt (US-PS 31 60 528).Finally, a transportable supply system with several fuel cell sets is also known, which are arranged in a star shape in an outer housing; An air duct is coaxial inside this housing arranged, in which there is a motor with a cooling fan. Housing and air shaft have air inlets and outlets; In the air duct there is a relay circuit that controls the fill level of the electrolyte of one or more cell sets responds, whereby the speed of the motor accordingly will be changed. The flow rate of the circulating cooling air changes as a function from the Signa! an electrolyte level sensor, which on the engine producing the cooling air acts (US-PS 31 60 528).
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Gas-Bremstoffzellensystem 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.The object of the invention is to provide a gas fuel cell system to create that both without an additional unit for water application, as well as Without a unit for water recovery, completely maintenance-free operation with uniform availability Guaranteed performance under variable operating conditions.
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 v/ird, 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.This object is achieved according to the invention in that a controllable heater and a temperature sensor for the electrolyte temperature are arranged and the heating via a switching element of the temperature sensor, the level sensor and the battery voltage influenced that also a Electrolyte cooler is provided, which is connected to either the battery electrolyte outlet line via a three-way valve and is connected to the electrolyte container or can be short-circuited via an electrolyte line and that the three-way valve is influenced by the level sensor and temperature sensor via a switching element.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown schematically in the drawing.
Innerhalb eines Temperaturisoliergehäuses 1 befinden sich ein oder mehrere Wasserstoff-Luft-Brennstoffzellenbatterien 2, für den Elektrolytkreislauf 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 Elektrolytmenge, ferner eine Elektrolytpumpe 10 für die Umpumpung des Elektrolyten und für die Wasserstoffversorgung der Brennstoffelektroden der Batterie 2 ein dieser vorge-Located within a temperature insulating housing 1 one or more hydrogen-air fuel cell batteries 2 for the electrolyte circuit Three-way valve 3, an electrolyte container 4 with in this arranged electrolyte heater 5, a temperature sensor 6 for the electrolyte temperature and a level meter 7 with an upper and lower contact mark 8, 9 for determining the amount of electrolyte, furthermore an electrolyte pump 10 for pumping the electrolyte and for supplying the hydrogen Fuel electrodes of the battery 2 one of these
schaltetes festeingestelltes Reduzierventil 11 und nachgeschaltet ein Ventil 13 für die Spülung der Wasserstoffräume. Ferner ist im Sauerstoffkreis 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 betätigt werden kann, um das Brennstoffzellensystem ohne Fremstromquelle anzufahren.switched fixed reducing valve 11 and downstream a valve 13 for flushing the hydrogen spaces. Furthermore, a pressure valve 15 is arranged in the oxygen circuit in the line 14 An air pump 19, which is electrically operated, is located in the insulating housing 1 for the oxygen supply to the battery 2 is, but can also be operated from the outside by hand to operate the fuel cell system without To approach external power source.
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 Elektrolytbehälter 4 verbunden istOutside the insulating housing 1, an electrolyte cooler 16 is arranged, which via a line 17 with the Three-way valve 3 and is connected to the electrolyte container 4 via a line 18
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 Elektrolytbehalttr 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.The battery 2 is connected to the three-way valve 3 via an electrolyte outlet line 21, so that the Electrolyte from this valve 3 either directly via a line 22 into the electrolyte container 4 or via the line 17 enters the electrolyte cooler 16 and only then enters the electrolyte container 4 via the line 18. The electrolyte flows from the container 4 via a line 23 into the electrolyte pump 10 and via the line 24 back into the battery 2.
Das Dreiwegeventil 3 wird über ein Schaltglied 25 von den Meßspannungen des Temperaturfühlers 6 für den Elektrolyten und des Füllstandsmessers 7 beeinflußt. The three-way valve 3 is via a switching element 25 of the measurement voltages of the temperature sensor 6 for the electrolyte and the level meter 7 influenced.
Die Elektrolytheizung 5 wird über ein Schaltglied 26 von den Meßspannungen des Temperaturfühlers 5, des Füllstandsmessers 7 und eines an die Anschlüsse 27. 28 der Batterie 2 geschalteten Spannungs-Meßgebers 29 beeinflußt.The electrolyte heater 5 is switched via a switching element 26 from the measuring voltages of the temperature sensor 5, the level meter 7 and one to the connections 27. 28 of the battery 2 switched voltage sensor 29 influenced.
Das Spülventil 13 wird über ein Schaltglied 30 beeinflußl, welches von der Spannung des Spannungs-Meßgebers 29 angesteuert wird.The flush valve 13 is influenced via a switching element 30, which is controlled by the voltage of the voltage transducer 29.
Die Luftpumpe 19 wird über ein Schaltglied 31 beeinflußt, das über einen Strom-Meßgeber 32 vom Batteriestrom beeinflußt wird.The air pump 19 is influenced by a switching element 31, which is fed by a current sensor 32 from the battery current being affected.
Nachstehend wird die Wirkungsweise des Systems näher erläutert.The operation of the system is explained in more detail below.
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.The working temperature of the battery 2 is regulated as a function of the amount of electrolyte in the Container 4 and also a regulation of the air flow rate of the oxygen electrodes of the battery 2 as a function the load current of the battery.
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 Dreiwegeventil 3 so schaltet, daß der Elektrolytkühler 16 eingeschaltet wird. Dadurch sinkt die Arbeitstemperatur des Elektrolyten und der Elektroden der Batterie 2, so daß diese weniger Wasser verdunsten lassen.If the electrolyte level 33 reaches the lower measuring contact 9 of the level meter 7 (this is a symbol that too much water is applied), the level meter 7 sends a signal to the switching element 25. which the three-way valve 3 switches so that the electrolyte cooler 16 is switched on. This lowers the working temperature of the electrolyte and the electrodes of the battery 2, so that they evaporate less water leave.
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 maxima! möglichen Wasseranfuils nötige Luftdurchsatz erreicht wird und somit ein gesondertes Bauteil zur Reaktionswasserentfernung entfälltIf the electrolyte level 33 reaches the upper measuring contact 8 of the level meter 7, the level meter gives a signal to the switching element 26 for the electrolyte heater 5, so that it is switched on will. When the electrolyte heater 5 is switched on, the working temperature of the electrolyte is increased, see above that the evaporation and thus the water output increases - the air electrodes are useful dimensioned in such a way that the maxima! possible water supply, necessary air flow is achieved and thus a separate component for the removal of reaction water is omitted
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems ist es weiter zweckmäßig, den Luftdurchsatz der Luftelektroden zu steuern.To increase the efficiency of the overall system, it is also useful to increase the air throughput of the Control air electrodes.
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 tfen Luftkathoden abgeführte Wassermenge steigtAs the battery current increases, the current sensor 32 sends a corresponding signal to the switching element 31, which acts on the air pump 19 in such a way that its performance is also increased (either proportionally or in steps) and thereby the amount of water discharged by the air cathodes increases
Das Druckventil 15 sorgt dafür, daß bei eingeschalteter Luftpumpe 19 unabhängig von deren Leistung ein bestimmter Mindestdruck für die einwandfreie Funktion der Lufteiektroden zur Verfügung steht, indem dieses Ventil 15 erst von diesem Mindestdruck an öffnet.The pressure valve 15 ensures that when the air pump 19 is switched on, regardless of its output certain minimum pressure is available for the proper function of the air electrodes by this Valve 15 only opens from this minimum pressure on.
Durch Justierung des Mindestdruckes des Drückventils 15 und der Pumpleistung der Luftpumpe 19 kann die Wasserausbringungscharakterist'k des Brennstoffzellensystems derart eingestellt werden, daß bei geringer Betestung 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.By adjusting the minimum pressure of the pressure valve 15 and the pumping capacity of the air pump 19 can determine the water discharge characteristics of the fuel cell system be set in such a way that the air throughput of the cathodes when the system is not stressed just covers the oxygen demand and little heat and water is dissipated, while at high The excess air exposure is so great that the necessary amount of water of reaction is removed in each case.
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 ( < 10% zwischen 40 und 90°C Arbeitstemperatur), so daß keine Überbemessung der Brennstoffzellenbatterie erforderlich ist.The regulation of the application with the help of the working temperature of the fuel cell battery is at one Battery equipped with positive carbon electrodes can be used with advantage because of their electrical performance depends only a little on the working temperature (<10% between 40 and 90 ° C working temperature), so that no Overdimensioning of the fuel cell battery is required.
Die Arbeitstemperatur der Batterie 2 wird also innerhalb von 40 bis 900C gehalten, indem die Elektrolyttemperatur auf die Heizung 5 bzw. die Kühlung 16 beim Erreichen der Grenztemperaturen wirkt. Unterstützt wild 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.The working temperature of the battery 2 is therefore kept within 40 to 90 ° C., in that the electrolyte temperature acts on the heater 5 or the cooling 16 when the limit temperatures are reached. Wildly supports this regulation by further regulating the air throughput of the cathodes as a function of the battery current, with the power of the air pump 19 and thus also the amount of water discharged from the cathodes increasing as the battery current increases.
Grundsätzlich ist diese Art der Regelung des Wasserhaushaltes für alle Brennstoffzellensysteme mit umgewälztem Elektrolyten anwendbar, auch wenn diese keine geeigneten Luftelektroden besitzen, sondern die Wasserausbringung beispielsweise in einem separaten, auf Verdampfung beruhenden Aggregat geschieht.Basically, this type of regulation of the water balance is for all fuel cell systems with circulated Electrolytes can be used, even if they do not have suitable air electrodes, but the Water is applied, for example, in a separate unit based on evaporation.
Durch die Erfindung ist ein einfaches Brennstoffzellensystem zur kontinuierlichen, wartungsfreien Stromerzeugung unter Umgebungsbedingungen von etwa -10 bis +500C Lufttemperatur erreicht, ohne daß anfällige und teuere Regelaggregate nötig sind, wie beispielsweise Gaspumpen für Brenngase, Wasser-Spaliverdampfer, Abluftkondensator zur Rückgewinnung von Wasser.The invention provides a simple fuel cell system for continuous, maintenance-free power generation under ambient conditions of around -10 to +50 0 C air temperature, without the need for susceptible and expensive control units, such as gas pumps for fuel gases, water spaliver evaporators, exhaust air condensers for the recovery of water .
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (1)
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