DE2321087A1 - Brennstoffzellenaggregat - Google Patents

Description

Reg.-Nr. 6 DP 176 DT 6233 Kelkheim, den 25. 4.

EAP-Ga-ge

VARTA-Batterie Aktiengesellschaft 3 Hannover, Stöckener Straße 351

Brennstoffzellenaggregat

Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellen-Aggregat kleiner Leistungsdichte für Niederteraperaturbetrieb mit gasbetätigter Umwälzung des wäßrigen Elektrolyten.

Bei Brennstoffzellen-Systemen kleiner Leistung bzw. geringer Stromdichten besteht nicht das Problem, einen schnellen Elektrolytkreislauf zur Ausbringung der Verlustleitung berücksichtigen zu müssen. Bei Brennstoffzellen-Systemen dieser Art ergibt sich die Möglichkeit, die entstehende Verlustleistung über das Brennstoffzellen-Gehäuse auf die Umgebung zu übertragen.

Brennstoffzellen geringer Leistung sind insbesondere für die Energieversorgung von automatischen Meß-Stationen interessant. In einem solchen Anwendungsfall besteht für das Energieversorgungssystem die Aufgabe, über einen längeren Zeitraum - beispielsweise einige Monate - wartungsfrei zu arbeiten. Systeme dieser Art sollten daher mit einem Minimum an Hilfsgeräten auskommen, um die erforderliche Zuverlässigkeit für den Langzeitbetrieb zu gewährleisten. Wenn auch bei diesen Systemen ein schneller Elektrolytumlauf nicht erforderlich ist, so muß dennoch eine bestimmte Elektrolytumlaufgeschwindigkeit existieren, die den Abtransport der entstehenden Reaktionsprodukte aus der Brennstoffzellen-Batterie sicherstellt. Bei Brennstoffzellen-Systemen, die mit einem flüssigen Brennstoff betrieben

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werden, der im Elektrolyt gelöst ist, besteht darüber hinaus die Forderung, daß der Elektrolytumlauf auch die Brennstoffzuführung gewährleistet.

Energie spar ende Verfahren für den Gas- und Elektrolytumlauf in H₂/02-Batterien ohne mechanische Pumpen sind bekannt.

Für den Elektrolytkreislauf dient ein sogenannter Gaslift. In den Laborzellen wird hierfür Stickstoff verwendet, bei großen Einheiten wird entweder Wasserstoff oder Sauerstoff benutzt und eine geeignete Anordnung vorgeschaltet. Das Fördergas tritt von unten in eine Verteilergabel ein, die einerseits mit der Zelle und andererseits mit einem über der Zelle befindlichen Niveaugefäß verbunden ist. Das Fördergas nimmt einen Teil der Flüssigkeit mit und füllt so kontinuierlich das Niveaugefäß, aus dem der Elektrolyt in die Zelle zurückfließt (Vielstich "Brennstoffelemente").

Durch Anwendung der gasbetriebenen umwälzung des Elektrolyten läßt sich die Betriebssicherheit wartungsarmer Brennstoffzellen-Aggregate erhöhen. Doch ist bei den bekannten Anordnungen die Möglichkeit eines Lecks im Elektrolytkreislauf nach wie vor gegeben, da der Elektrolyt weiterhin durch diskrete Bauelemente wie Leitungen, Brennstoffzelife, Niveaugefäß, geführt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein wartungsarmes, lecksicheres Brennstoffzellen-Aggregat zu entwickeln.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gekapselten Brennstoffzellen und die zur gasbetätigten Elsktrolytumwälzung erforderlichen Vorrichtungen im Elektrolyttant unterhalb des Flüssigkeitspegels angeordnet sind.

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Die Ausnutzung der durch funktionsbedingte Formgebung der Brennstoffzellen entstandenen Zwischenräume als Elektrolytreservoir ermöglicht eine raumsparende kompakte Bauweise des Brennstoffzellen-Aggregats. Auch bei niedriger Umwälzgeschwindigkeit des Elektrolyten steht der gesamte Elektrolytvorrat zur Erzielung ausgeglichener thermischer Verhältnisse als Wärmekapazität zur Verfügung.

Brennstoffzellen-Systeme dieser Art lassen sich sowohl auf der Basis von H2/02-Elementen als auch auf der Basis von Zellen mit im Elektrolyten gelösten Alkohol als Brennstoff aufbauen. Während des Betriebes von K^/C^-Brennstoffzellen-Aggregaten vird der alkalische Elektrolyt mit Wasser als Reaktionsprodukt angereichert. Bei Brennstoffzellen-Aggregaten mit im Elektrolyten gelöstem Alkohol als Brennstoff v/erden insbesondere Methanol/02-Elenente benutzt. Das im Elektrolyt-Tank befindliche Elektrolyt-Brennstoff-Gemisch wird bei alkalischem Elektrolyten wehrend des Betriebes mit Reaktionsprodukten wie Formaldehyd, Formiat und Carbonal angereichert (v. Sturm "Elektronische Stromerzeugung").

Im folgenden sind die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 7 näher erläutert. Die Figuren 1 a und 1 b zeigen ein thermisch isoliertes und mit Wärmeaustauscher versehenes Brennstoffzellen-Aggregat, dessen Elektrolyt durch eine Blasenpumpe umgewälzt wird.

Der Elektrolyt tritt über ein Elektrolyt-Ansaugrohr 2 in die Elektrolyt-Zuleitung 23 der ersten Brennstoffzelle 1 ein. Er durchströmt die Brennstoffzelle 1 von unten nach oben, so daß auftretende Gasblasen, insbesondere Sauerstoffbläschen, durch Strömungsrichtung und Auftrieb aus der Brennstoffzelle entfernt werden. Die Gasbläschen gelangen durch die Elektrolyt-Ableitung 24 zur Entgasöffnung 25 und werden abgeblasen. Der Elektrolyt strömt über die

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Leitung 26 zur nächsten Brennstoffzelle 1. Die Brennstoffzellen werden nacheinander in gleicher Richtung vom Elektrolyten durchflossen. Von der Elektrolyt-Ableitung 24 der letzten durchströmten Brennstoffzelle fließt der Elektrolyt über Pumpenleitung 7 in das Steigrohr 6 der Blasenpumpe. Aus den Brennstoffzellen gelangt Gas bzw. Inertgas über das einstellbare Ventil 20 durch die Leitung 5 in das Steigrohr 6 der Blasenpumpe. Der Sauerstoff wird den Brennstoffzellen 1 über die Rohrleitung 18 zugeführt.

Beispiel 1:

H2/02-Brennstoffzellen-Batterie, Leistung 5 W

Als Elektrolyt dient 1 Liter 6 η KOH.. Das System bildet ca. 3 ml H2O/I1 Reaktionswasser. Eine Verdünnung des Elektrolyten auf 1 η KOH wird zugelassen. Es dürfen also rd. 5 1 H2O gebildet, d. h. rd. 8,5 kWh dem System entnommen werden. Dabei muß der aus der Batterie austretende Elektrolyt so schnell umgepumpt werden, daß seine Konzentration 1 η nicht unterschreitet. Für die erforderliche Umpumpgeschwindigkeit V ergibt sich V > 3,5 cm3/h.

Für den Betrieb der Blasenpumpe wird (bei vergleichbarem Inertgasgehalt von H£ und O2) die ^-Leitung verwendet. Beträgt der Reinheitsgrad des Wasserstoff 97 %, müssen rd. loo cm3 Inertgas/h abgeblasen werden. Mit dieser Gasmenge lassen sich bei Zimmertemperatur ca. 5oo cnß Elektrolyt/h umpumpen, d. h. die ümpumprate übertrifft die erforderliche Umpumprate V um mehr als das 140-fache.

Bei der H2/O2-Brennstoffζeile empfiehlt es sich, das Elektrolyt-Ansaugrohr 2 fortzulassen, so daß der Elektrolyt direkt an den Elektrolyt-Einlaß der Brennstoffzellen-Batterie eintritt. Grund: Infolge seines höheren spezifischen Gewichte befindet sich die konzentrierter« Lauge stets am Boden des Elektrolyt-Tanks 3. Es wird also auf diese Weise immer die konzentrierter© Lauge der Batterie zugeführt.

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Beispiel 2:

Methanol (^-Brennstoffzellen-Batterie, Leistung 5 W

Verwendet wird eine- Methanol-Lauge-Mischung der Zusammensetzung

9 η KOH + Io m CH3OH

Diese Mischung hat ein Energiespeicher-Volumen von 1,5 l/kWh. Bei 5 W Dauerleistung muß der Brennstoffzellen-Batterie mindestens 7,5 cm3/h Lauge-Brennstoffmischung zugeführt werden. Bei Verwendung von 97 % Sauerstoff werden über das Inertgasventil 2o rd 5o cm3/h abgeblasen. Mit dieser Gasmenge lassen sich 25o cm3 Brennstoff-Lauge-Mischung umpumpen, d. h. 33mal sovil wie erforderlich.

Da während des Abreicherungsprozesses das spezifische Gewicht der Lauge/Brennstoff-Mischung von 1,26 auf ca. l,3o zunimmt., ist es, wie die Praxis zeigt, unbedingt erforderlich, ein Elektrolyt-Ansaugrohr 2 vorzusehen, dessen Öffnung sich kanpp unterhalb des Flüssigkeitspegels befindet, so daß immer die spezifisch leichtere Mischung in die Brennstoffzellen-Batterie einfließt.

Bei einer Leistungsaufnahme von 5 W ist alle 3 Monate eine Neubetankung durchzuführen. Sie besteht in dem Wechsel der 2o-Liter-2oo atü (^-Flasche und im Austausch der Methanol/ Lauge-Mischung. Im Falle eines I^/C^-Systems ist neben der 02-Flasche und dem Elektrolyten noch eine H^-Flasche auszuwechseln.

Zur Durchführung der Wiederbetankung wird in die Öffnung des Auslauf-Ventils Io ein Rohr geschoben, so daß die abgereicherte Methanol/Lauge-Mischung über di.e Schiauchleitung in einen Auffang-Behälter fließen kann. Da die Öffnung der Rohre 2 und 6 oberhalb der Brennstoffzellen 1 liegen, kann

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die noch arbeitsfähige Methanol/Lauge-Mischung nicht aus der Brennstoffzellen-Batterie ausfließen.

Frische Methanol/Lauge-Mischung wird über das Elektrolyt-Einfüll-Ventil 8 in den Elektrolytraum eingepumpt. Das Rohr 9 ist so angeordnet, daß sich seine Öffnung senkrecht über der Öffnung des Rohres 2 befindet. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, daß bei der Neubetankung die abgereicherte Methanol/Lauge-Mischüng aus den Brennstoffzellen 1 durch die kinetische Energie der gepumpten Flüssigkeit über das Steigrohr 6 herausgedrückt wird. Um zu verhindern, daß irgendwelche Fremdpartikel dem System zugeführt werden, ist ein Filter 21 innerhalb des Rohres 9 angebracht.

Um die Leistungsabgabe auch während des Austausches der Druckflasehe sicherzustellen, ist hinter dem Reduzierventil 17 ein Puffervolumen 19 vorgesehen.

Zur Feststellung des noch vorhandenen Energievorrats dient das mit einer Skala versehene Fenster 15. Da das Volumen der. Brennstoff/Lauge-Mischung im Verlauf seiner Abreicherung um ca. 2o % zunimmt, ist es möglich, durch Kontrolle des Flüssigkeitspegels 28 den Entladungsgrad zu beurteilen. Entsprechend läßt sich über ein Hochdruckmanometer der (^-Gasflasche der noch verfügbare Sauerstoff-Vorrat ablesen. In einer besonders zweckmäßigen Anordnung befindet sich das Steigrohr 6 der Blasenpumpe direkt hinter dem Fenster 15» so daß bei gelegentlicher Sichtprüfung auch die Funktion der Blasenpumpe kontrolliert werden kann. Die Leistung des Methanol/ Sauerstoff-Systems ist relativ stark temperaturabhängig. Eine konstante Leistungsentnahme setzt eine möglichst konstante Betriebstemperatur voraus. Um einen einwandfreien Betrieb auch bei niedrigen Außentemperaturen (z. B. -15°C) zu ermöglichen, ist eine thermische Isolation 13 des Brennstoffzellen-Aggregats erforderlich. Bei Außentemperaturen von mehr als +25°C-

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muß dagegen die thermische Isolierung 13 entfernt werden, da sich andernfalls Temperaturen von mehr als 6o°C ergeben können. Unter diesen Bedingungen ist mit einer hohen Abdampfgeschwindigkeit des Methanol zu rechnen, wodurch die-mögliche " Energieentnahme reduziert wird. Um dennoch ein. wartungsfreies System zu schaffen, das sowohl während der Sommermonate als auch während der Wintermonate arbeitet, wird das Brennstoffzellen-Aggregat mit einem Wärmerohr 11 ausgerüstet. Das Wärmerohr 11 hat die Eigenschaft, in einem relativ engen Temperaturbereich thermisch leitend, zu v/erden. Das Wärmerohr besteht aus einem Verdampfer 16 und einem Kondensator 12, die durch ein Rohr 27 geringer Wärmeleitfähigkeit verbunden sind. Das Arbeitsprinzip des Wärmerohrs besteht darin, daß dem Verdampferventil 16 Wärmeenergie bei einer Temperatur zugeführt wird, bei der die in ihm befindliche Wärme-Transportflüssigkeit siedet. Die Auskondensation der Flüssigkeit erfolgt am Kondensator 12 durch Abgabe der Kondensationswärme an die Umgebung. Die kondensierte Flüssigkeit fließt anschließend in den Verdampferteil zurück. Zur Übertragung der Wärmeenergie wird Isopentan (2-Methylbutan) benutzt. Diese Flüssigkeit siedet und kondensiert bei Normaldruck im Temperaturbereich von +27 bis +28 ° C. Unter Verwendung einer 2o cm starken thermischen Isolierung aus Hartmoltopren in Verbindung mit dem oben erwähnten Wärmerohr 11 läßt sich ein 5 W' Methanol/Sauerstoff Aggregat realisieren, dessen Innentemperatur nur um etwa 8°C schwankt (26 ο C bis 34⁰C) bei einer veränderlichen Umgebungstemperatur von +25 ° C bis -15 ° C. (DT-AS 1 671 966)

Zur Erzielung dner weitgehend konstanten Betriebstemperatur eines möglichen Verbrauchers der erzeugten elektrischen Energie ist dieser im Gehäuse 22 unterzubringen, das im Wärme-. kontakt mit dem Elektrolyten 4 steht.

Figur 2 zeigt ein mit Gasdiffusionselektroden ausgestattetes Brennstoffzellen-Aggregat, dessen Elektrolyt durch zeitliche Änderung des Versorgungsgasdrucks umgewälzt wird. In den Figuren 3 a und 3 b ist das Umwälzprinzip näher erläutert. Die Bezugsziffern bedeuten: 31 die Gasdiffusionselektrode, 32 eine Deckschicht hohen Kapillardrucks, 4 den Elektrolyten,

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der sich im Gehäuse 33 befindet. Pernerhin sind zwei Ventile 35 und 36 vorgesehen.

Nachfolgend sei die Arbeitsweise näher erläutert: Die trockene Elektrode wird in Kontakt mit dem Elektrolyten 4 gebracht. Aufgrund der Kapillarwirkung, saugt die Elektrode den Elektrolyten 4 an. Hierdurch wird das Einlaß-Ventil 35 geöffnet während Auslaß-Ventil 36 geschlossen bleibt; dabei wird frischer Elektrolyt über die Elektrolyt-Leitung 37 aus dem dem Vorratsgefäß angesaugt. Nachdem dieser Vorgang beendet ist, schließt sich Ventil 35 durch Schv/erkraft bzw. Federkraft. Der über Leitung 38 zugeführte Gasdruck befindet sich auf seinem kleinsten Wert. Wird -jetzt der Gasdruck über die Leitung 38 erhöht, so strömt gemäß Figur 3 b der Elektrolyt in Pfeilrichtung aus der Elektrode 31 heraus. Dabei wird das Ventil 36 geöffnet. Nach Beendigung dieses Vorganges schließt Ventil 36. Der Elektrolyt 4 wird Herbei über die Leitung 39 in das Auffanggefäß, das auch das Vorratsgefäß sein kann, gepumpt. Wird der Druck über Leitung 38 in bestimmtem Rhythmus erhöht und erniedrigt, funktioniert das in den Figuren 3 a und 3 b dargestellte System als Flüssigkeitspumpe. Wichtig dabei ist jedoch, daß die zeitliche Dauer des erhöhten Druckes der Zeit angepaßt ist, die notwendig ist, um den Elektrolyten aus dem porösen System wenigstens zu 7 ο bis 8o % herauszudrücken. Entsprechendes gilt für die zeitliche Länge des erniedrigten Druckes. Diese Zeit sollte so groß sein, daß der Elektrolyt zu 7o bis 8o % in das poröse System einzudringen vermag.

Besonders geeignet für den Pumpvorgang sind Elektroden vom Janustyp. Die Januselektrode vermag bei rhythmischen Druckschwankungen über die Gaszuführung beidseitig aus dem Elektrolytraum Elektrolyt aufzunehmen bzw. abzugeben

In Figur 2 ist eine Anordnung dargestellt, die aus mehreren porösen Elektroden besteht, wie sie eine Brennstoffzellen-Batterie enthält. So seien die mit 41 bezeichneten Elektroden Sauerstoffelektroden und die mit 51 bezeichneten Elektro-

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den Wasserstoffelektroden. Die Sauerstoffelektroden sind über die Sauerstoff-Gasleitung 48 miteinander verbunden, die Viasserstoffelektroden über die Wasserstoffgasleitung 58. Wird z. B. der Druck in der Leitung 48 erhöht, so fließt aus sämtlichen Sauerstoffelektroden 41 der Elektrolyt beidseitig in die Elektrolyträume 43. Der Elektrolyt tritt hierbei über die Anschlußkanäle 44 in den Auslaßkanal 45 ein, wobei das Ventil 36 geöffnet wird. Über den Elektrolyt-Auslaß 47 fließt der Elektrolyt in den Elektrolyt-Tank. Wird der Gasdruck für die Wasserstoff-Leitung 58 erhöht, ist die gleiche Wirkung zu erzielen.

Frischer Elektrolyt wird über den Elektrolyt-Einlaß 46 entsprechend der zu den Figuren 3 a und. 3 b angegebenen Arbeitsweise angesaugt. Hierbei ist es gleichgültig, ob der Gasdruck in Leitung 48, in Leitung 58, oder in beiden Leitungen reduziert wird. Für den Umpumpvorgang ist es ,jedoch wichtig, daß Druckerhöhung und Druckerniedrigung synchron verlaufen, sofern der Betriebsdruck beider Gase schwankt.

Werden zur Erzeugung einer höheren »Spannung Verbundelektroden angewendet, sind keine gemeinsamen Elektrolyt-Einlaß- und Auslaßkanäle vorzusehen.

Für einen solchen Fall empfiehlt es sich, eine Anordnung gemäß Figur 4 zu verwenden.

Figur 4 stellt eine Brennstoffzelle dar, mit den Sauerstoffelektroden 41 und den Wasserstoffelektroden 51. Es handelt sich hierbei um Verbundelektroden, die eine Verbundschicht 52 enthalten. Außerdem enthält die Brennstoffzellenanordnung die Elektrolyträume 43, wobei jeder Elektrolytraum seine eigene Elektrolytleitung 55 zu dem Einlaß-Ventil 35 und eine eigene Elektrolytleitung 56 zu dem Auslaß-Ventil 36 besitzt. Durch die Wahl einer entsprechenden Länge der Elektrolytleitungen 55 und 56 ist eine starke Reduzierung der parasitären Ströme möglich. Jeder Elektrolytraum besitzt darüber hinaus

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-losein eigenes unabhängiges Pumpsystem, welches funktioniert, sobald eine periodische DruckSchwankung mindestens eines Betriebsgases vorgegeben

Die zur Elektrolytumwälzung notwendige Erzeugung eines periodisch schwankenden Gasdrucks ist durch Einsatz eines modifizierten Reduzierventils gemäß Figur 5 möglich.

Wesentliche Bauelemente deses Reduzierventils 60 sind das Schließventil 61, das über die Verbindungsstange 62 mit der Membran 63 in Verbindung steht. Diese Bauteile sind in dem Gehäuse 64 angeordnet. Das Gehäuse 64 besitzt einen Anschluß 65, über den das Gas unter hohem Druck zugeführt wird. Über den Anschlu.3 66 wird das druckgeregelte Gas der Brennstoffzelle zugeführt. Bei Inbetriebnahme wird über die Knebelschraube 67 die Feder 68 gespannt, wobei über die Membran 63 das Ventil 61 geöffnet wird. Unter dieser Bedingung strömt das Gas aus dem Raum 69 mit dem Druck p-^ in den Raum Jo. Hierbei wird in dem Raum 7o der Druck P2 aufgebaut. Sobald der Druck P2 einen Wert erreicht, der die Gegenkraft der Feder 68 überwindet, wird das Ventil 61 geschlossen. Unter dieser Bedingung wirkt eine zusätzliche Schließkraft, die sich aus dem Produkt von p^ · F^ ergibt. Mit F-^ wird die Schließfläche des Ventils 61 bezeichnet. Wird Jetzt an die Leitung 66 ein Gasverbraucher angeschlossen, so sinkt der Druck p₂ im Raum 7o, so daß auch die auf die Feder 68 · wirkende Gegenkraft sinkt. Sobald die Gegenkraft in dem Raum 7o um den Wert p^ . F^ gesunken ist, wird das Ventil ruckartig geöffnet und der oben beschriebene Vorgang beginnt von neuem. Die auf diese Weise bei einem Gasverbrauch über die Leitung 66 entstehende Druckschwankung in der Kammer ist wesentlich von dem Flächenverhältnxs F₂ : Fi abhängig (Fi = Schließfläche des Ventils 61; F₂ = Fläche der Membran 63). Je kleiner dieses Verhältnis ist, desto größer ist die sich ergebende Druckschwankung.

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Um eine konstante Druckschwankung zu erreichen, ist es wesentlich, daß der Druck p-, im Raum 69 konstant bleibt. Wird z. B. eine Gasdruckflasche für die Versorgung eingesetzt, muß ein zusätzliches Reduzierventil verwendet werden, das den Druck P₁ konstant hält. Unter Berücksichtigung dieses zusätzlichen Reduzierventils ergibt sich für die erfindungsgemäße Vorrichtung das in Figur 6 dargestellte Funktionsschema. Die Verbindungsleitung 91 zur Hochdruckflasche 92 ist verbunden mit dem Reduzierventil 59, das den Vordruck P₁ für das Reduzierventil 60 konstant hält. Die Reduzierventile 59 und 60 sind über Leitung 93 verbunden. Die gasverbrauchenden Brennstoffzellen 1 sind über Leitung 38 an das Reduzierventil 60 angeschlossen. Mittels Reduzierventil 60 ergibt sich ein schwankender Arbeitsdruck für die Brennstoffzellen 1, deren Frequenz von der Gasverbrauchsrate der Brennstoffzelle 1 abhängt. Die Leitung 37 stellt den Elektrolytansaugkanal, die Leitung 39 den Elektrolytauslaß-Kanal der Brennstoffzellen 1 dar. Bei sinkendem Gasdruck ist das Rückschlagventil 35 geöffnet und das Ventil 36 geschlossen. Hierbei wird frischer Elektrolyt bzw. frisches Elektrolyt-Brennstoffgemisch über die Leitung 37 angesaugt. Bei steigendem Gasdruck wird das Ventil 35 geschlossen und das Ventil 36 geöffnet. Hierbei wird die mit Reaktionsprodukten angereicherte Lösung in den Elektrolyttank 3 zurückgeführt.

Figur 7 zeigt eine in der DT-PS 1496241 näher beschriebene Brennstoffzellen-Batterie, deren Elektrolytströmung senkrecht zu den Gasströmungen· gerichtet ist.Die Zelle enthält biporöse Wasserstoff-Arbeitsschichten 71 und biporöse Sauerstoff-Arbeitsschichten 72, die durch biporöse Asbest-schichten 73 voneinander getrennt sind. An den beiden Stirnflächen der Zelle befinden sich grobporige Sammelschichten 74. Das ganze Paket von Elektroden und Diaphragmen ist in einem Epoxidharz-Mantel 77 eingebettet. Die Reaktionsgase werden über die Leitungen 78, 79 den Elektroden von den Rändern her zugeführt, so daß die Gase innerhalb der Arbeitsschichten 71, 72 parallel zu den Asbest-Diaphragmen 73 gleichmäßig strömen. Der Elektrolyt

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wird den Brennstoffzellen von der Verdrängerpumpe 81 über die Elektrolyt-Zuleitung 2 zugeführt. Um zu verhindern, daß der zulässige Arbeitsdruck des Elektrolyten überschritten wird oder Gase im Elektrolytraum aufgestaut werden, ist der Elektrolytraum 75 an seinem höchsten Punkt mit einem Überdruckventil 97 verbunden. Nach Durchströmen der Brennstoffzellen gelangt der Elektrolyt über den Elektrolytraum 76 und die Ableitung 7 in den Elektrolyt-Tank 3 zurück.

Über die mit Nadelventilen 95 versehenen Ableitungen 84, 83 strömen ein Sauerstoff-Inertgas-Gemisch und ein Wasserstoff-Inertgas-Gemisch in den mit einem Rückschlagventil 89 versehenen unteren Teil der Verdrängerpumpe 81. Der in vertikaler Richtung bewegliche Schwimmer 82 unterliegt dem Auftrieb des ihn umgebenden, spezifisch schwereren Elektrolyten innerhalb der Verdrängerpumpe. Zusätzlich wird er durch das magnetische Kraftfeld zwischen einem ringförmigen Haltemagneten 88 des Schwimmers und einem im oberen Teil der Verdränger pumpe angebrachten Nickelring 87 in der oberen Position gehalten. Der mit dem Schwimmer 82 verbundene Ventilkegel 9o schließt in der oberen Position den Gasaustritt 85 der Verdränger-Pumpe ab.

Durch stetige Zufuhr der Gasgemische bildet sich unterhalb des schließenden Ventilkegels 9o eine wachsende Gasschicht, die den Elektrolyten aus dem Innenraum der Verdrängerpumpe herausdrückt und den Brennstoffzellen über die Elektrolytzuleitung zuführt.

Der auf den Schwimmer ausgeübte Auftrieb wird somit stetig reduziert. Werden die durch Auftrieb und Magnetfeld auf den Schwimmer wirkenden Kräfte kleiner als die Gravitationskraft, fällt der Schwimmer 82 nach unten. Durch Abfall des Ventilkegels 9o wird der Gasaustritt 85 der Verdrängerpumpe freigegeben, so daß das aufgestaute Gas entweichen kann. Über das

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Rückschlagventil 89 strömt neuer Elektrolyt in den Innenraum der Verdrängerpumpe und bringt den Schwimmer wieder in seine obere Position. Somit kann ein neuer Arbeitszyklus beginnen.

Zur Erzielung einer möglichst konstanten Betriebstemperatur bei wechselnden Umgebungstemperaturen ist der Elektrolyt-Tank 3 thermisch isoliert und mit einem Wärmerohr 11 versehen.

Mit den beschriebenen Brennstoffzellen-Aggregaten läßt sich ein kompakter Aufbau unter Verzicht elektrischer Hilfsgeräte bei hohem Wirkungsgrad, hoher Überlastbarkeit und hoher Zuverlässigkeit realisieren.

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Claims (1)

1. P a t e n t an s ρ r ü c h e

   1. Brennstoffzellen-Aggregat niedriger Leistungsdichte mit wässrigem Elektrolyten für Niedertemperaturbetrieb dadurch gekennzeichnet, daß die gekapselten Brennstoffzellen (1) und die zur gasbetätigten Elektrolyt - umwälzung erforderlichen Vorrichtungen (6^35,36,8I) in einem Elektrolyt-Tank (3) unterhalb des Plüssigkeitspegels (28) angeordnet sind.

   2. Brennstoffzellen-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen (1) an ein nach oben geöffnetes Elektrolyt-Ansaugrohr (2) angeschlossen sind, und daß die Brennstoffzellen (1) über eine Pumpenleitung (7) mit dem· Steigrohr (6) einer Blasenpumpe verbunden sind.

   3. Brennstoffzellen-Aggregat nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytableitung (24) und die Elektrolytzuleitung (23) jeweils benachbarter Brennstoffzellen miteinander verbunden sind.

   4v Brennstoffzellen-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es Elektrolyt-Einlaßventile (35), Elektrolyt-Auslaßventile (36) und ein Gasdruckschwankungen erzeugendes Reduzierventil (6o) besitzt.

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   5. Brennstoffzellen-Aggregat nach den Ansprüchen 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß jede Brennstoffzelle einen mit einem Elektrolyt-Einlaßventil (35) und einem Elektrolyt-Auslaßventil (36) ausgestatteten Elektrolytraum (43) besitzt, der durch eine Deckschicht hohen Kapillardrucks (32) vom porösen System der Gasdiffusionselektrode (31) getrennt ist.

   6. Brennstoffzellen-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolyt-Zuleitung (23) mit einer diskontinuierlich arbeitenden Verdrängerpumpe (81) verbunden ist, und daß in den-Grasdiffusionselektroden biporöser Struktur (71,72) die Elektrolyt-Strömung senkrecht zu den Gasströmungen gerichtet ist.

   7. Brennstoffzellen-Aggregat nach Anspruch 6 dadurch gekennaeichnet, daß die Verdrängerpumpe (81) einen mit einem Ventilkegel (9o) verbundenen Schwimmer (82) besitzt, und daß der Schwimmer (82) mit einem Haltemagneten (88) ausgestattet ist.

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