DE2533215A1 - Verfahren zur konstanthaltung der betriebstemperatur und elektrolytkonzentration einer fuer rohgas/luft-betrieb ausgebildeten brennstoffzellenbatterie mit festgelegtem sauren elektrolyten - Google Patents

Verfahren zur konstanthaltung der betriebstemperatur und elektrolytkonzentration einer fuer rohgas/luft-betrieb ausgebildeten brennstoffzellenbatterie mit festgelegtem sauren elektrolyten

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Description

  • Verfahren zur Konstanthaltung der Betriebstemperatur und Elektrolytkonzentration einer für Rohgas/Ijuft-Betrieb ausgebildeten Brennstoffzellenbatterie mit festgelegtem sauren Elektrolyten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Konstanthaltung der Betriebstemperatur und Elektrolytkonzentration einer für Rohgas/Luft-Betrieb ausgebildeten Brennstoffzollenbatterie mit festgelegtem sauren Elektrolyten, wobei der Batterie ein feuchtigkeitsangereichertes und auf Betriebstemperatur der Batterie liegendes Rohgas zugeführt wird.
  • Beim Betrieb einer elektrochemischen Brennstoffzellenbatterie entsteht sowohl Verlustwärme als auch Reaktionswasser. Bei einer Brennstoffzellenbatterie mit Elektrolyt-Flüssigkreislauf kann der Abtransport der Verlustwärme und des Reaktionswassers über den Elektrolyten erfolgen.
  • Eine Brennstoffzellenbatterie mit in einer Matrix festgelegtem Elektrolyten bietet diese Möglichkeit nicht, besitzt jedoch andere Vorteile, wie beispielsweise die Möglichkeit der Verwendung von sehr dünnen Elektroden, wodurch eine Verminderwng des Leistuiigsgewichts und -volumens erreicht wird und der We#gfall einer Elektrolytumwälzpumpe, was weniger Verlustleistung bedeutet. Ein Ausbringen der Verlustwärme und des Reaktionswassers erfolgt bei einer derartigen Brennstoffzellenbatterie über die Gasphase.
  • Bei einer Matrix-Brennstoffzellenbatterie mit saurem Elektrolyten für Rohgas/Luft-Betrieb darf sich die Konzentration des festgelegten Elektrolyten nicht lfesentlich ändern, um nicht eine Leistungsminderung der Elektroden oder gar Zerstörung der Matrixsubstanz hervorzurufen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, immer nur soviel Wasser über die Gasphase wegzutransportieren, wie gerade an den Kathoden durch chemischen Umsatz gebildet wird und die Betriebstemperatur der Batterie konstant zu halten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Luft vor Eintritt in die Kathodengasräume der Batterie unter Heranziehung deren Eigenwärme auf die Betriebstemperatur erwärmt und mit einem hestimmten Sättigungsgrad an Wasserdampf in die Kathodengasräume geleitet wird.
  • Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die prinzipielle Ausbildung der Steuereinrichtung, FSig. 2 einen Teilausschnitt des verwendeten Wärmeleitsystems.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Fig. 1 der Rohgaskreis nicht weiter dargestellt. Das Rohgas wird in bekannter Weise beispielsweise in einem Methanolzersetzer erzeugt und tritt aus diesem mit einer Temperatur von etwa 300 OC aus, wasserdampfgesättigt und auf die Betriebstemperatur der Batterie abgekühlt sowie in diese eingeleitet.
  • Einen Beitrag zur Wärmeausbringung leistet das Rohgas nicht.
  • Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist eine Matrix-Brennstoffzellenbatterie 1 mit einem Wärmeleitsystem 2 ausgerüstet; es ist ferner ein Ventilator 3 vorgesehen, der über Luftleitungen mit einem steuerbaren Zweiwege-Ventil 4 und einem weiteren Ventil 5 verbunden ist. Vom Ventil 4 geht eine Luftleitung b zum Wärmeleitsystem 2 und eine weitere von dem Ventil 4 ausgehende Luftleitung a ist mit der Ausgangsleitung des Wärmeleitsystems 2 verbunden, die einerseits an ein Ventil 8 führt und andererseits an ein weiteres Ventil 9 und an einen Vorbefeuchter 10, deren Ausgangsleitungen zusammengefaßt an den Eingang 13 der Kathodengasräume der Batterie 1 geführt sind, wobei in diesem Eingang ein Feuchtemesser 13 angeordnet ist. Im Ausgang 14 der Kathodengasräume ist ein Kondensor 11 angeordnet. Den Ventilen 5, 8 und 9 sind Umsetzer 20, 21, 22 zugeordnet; der Eingang des Umsetzers 20 für das Ventil 5 ist mit einem Thermofühler 6, der Eingang des Umsetzers 21 für das Ventil 8 ist mit einem Regler 7 und der Eingang des Umsetzers 22 für das Ventil 9 ist mit einem Regler 15 verbunden.
  • Nachstehend wird die Wirkungsweise der Steuereinrichtung näher erläutert.
  • Die Brennstoffzellenbatterie 1 mit ihrem Wärmeleitsystem 2 befindet sich bei Beginn der Betriebsbereithaltung auf Raumtemperatur; der Vorbefeuchter 10 ist mit Wasser gefüllt.
  • Der Ventilator 3 wird von der Batterie 1 gespeist und erzeugt einen konstanten Luftstrom, der zu den Ventilen 4 und 5 gelangt. Bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der Batterie 1 (beispielsweise zwischen 60 und 80 OC) ist das Ventil 4 in Richtung a geöffnet und in Richtung b geschlossen. Die Luft wird also am Wärmeleitsystem 2 vorbeigeführt. Die Temperatur der Batterie 1 wird vom Thermofühler 6 erfaßt, der ein Stabausdehnungsthermometer, ein Bimetallthermometer odgl. sein kann. Ist die Betriebstemperatur erreicht; so wird über den Thermofühler 6 einerseits das Ventil 4 auf die Leitung b umgeschaltet, so daß die Luft das Wärmeleitsystem 2 durchströmt und auf die Betriebstemperatur erwärmt wird; andererseits wird vom Fühler 6 auch das Ventil 5 beeinflußt; dieses ist bis zum Erreichen der Betriebstemperatur geschlossen, wird dann geöffnet und über den Thermofühler 6 und den Umsetzer 20 derart gesteuert, daß bei einer Erhöhung der Betriebstemperatur eine proportionale Verschließung des Ventils erfolgt, so daß der Luftstrom durch das Leitsystem 2 vergrößert und damit eine stärkere Kühlung der Batterie erreicht wird. Sinkt darauf die Betriebstemperatur, so wird dies vom Thermofühler 6 erfaßt und das Ventil 5 nun im umgekehrten Sinn beeinflußt.
  • Mittels des Thermofühlers 6 und des Ventils 5 wird also die zur Temperaturkonstanthaltung erforderliche Luftmenge g eingestellt.
  • Das in der Ausgangsleitung des Wärmeleitsystems 2 liegende Ventil 8 wird von einem Regler 7 beeinflußt, der eine der Batteriespannung oder dem Batteriestrom proportionale und eine zur Betriebstemperatur in logarithmischem Zusammenhang stehende Größe ausgibt. Der Logarithmische Zusammenhang entspricht genau der Wasserdampfdruckkurve der Luft in Abhängigkeit von der Temperatur.
  • Mittels des Reglers 7 und des Ventils 8 wird die zur Wasserausbringung erforderliche Luftmenge g' eingestellt. Regler 7 und Ventil 8 sind auch bereits unterhalb der Betriebstemperatur in Tätigkeit, da die Batterie 1 den Ventilator 3 speist, so daß ein Batteriestrom fließt und Wasser erzeugt wird, das abgeführt werden muß.
  • Der auf Betriebstemperatur befindliche Luftstrom g' teilt sich in die Ströme g' 1 und g'2 auf, wobei im Luftstrom g' das Ventil 9 angeordnet ist, das von dem Regler 15 beeinflußt wird, dem der Feuchtemesser 12 zugeordnet ist. Der Teilluftstrom g'2 durchströmt den Vorbefeuchter 10 und wird in diesem mit Wasserdampf angereichert.
  • Mittels des Reglers 15 und des Ventils 9 wird ein bestimmtes Verhältnis xe = g'1/g'1 + 8'2 eingestellt, das einem be stimmten Sättigungsgrad an Wasser der bei t4 austretenden Luft entspricht. Die mit einem bestimmten, durch Regler 15 und Ventil 9 fest eingestellten Sättigungsgrad xe bei 13 in die Kathodengasräume eintretende, auf die Betriebstemperatur aufgeheizte Luftmenge g" sättigt sich in den Räumen vollständig auf xa = const. = 1,0, Die bei 14 ausgebrachte Wassermenge entspricht daher dem Produkt (1 - Xe) . g' . J1?HLO# wobei i"lI 0 der jeweils für eine bestimmte Temperatur aus der D amp fdru ckkurve entnommene Wert für den maximalen Wassergehalt der Luft ist. Das Produkt g' . jl'H o wird durch den Regler 7 proportional zum Batteriestrom bzw. -spannung und zur Betriebstemperatur geregelt g z j"H2O = f (J, log T) In den Kathodengasräumen sind poröse Elektroden angeordnet, in deren Poren das Wasser entsteht, das über die Verdunstungsphase mitgerissen wird. Die bei 14 aus den Kathodengasräumen austretende, einen konstanten Sättigungsgrad aufweisende Luft gibt in dem Kondensor 11 den Hauptanteil des Wassers wieder ab, das zurück in den Vorbefeuchter 10 läuft.
  • Der Regler 7 kann aus einem Widerstand bestehen, der vom Batteriestrom durchflossen wird; parallel zum Widerstand ist ein Potentiometer geschaltet, an dessen Klemmen als Bezugsspannung die am Widerstand abfallende Spannung liegt.
  • An das Potentiometer kann auch direkt die Batteriespannung gelegt werden, wenn in dem in Frage kommenden Spannungsbereich schon Linearität der Stromdichte - Spannungs-Charakteristik der Zellen erreicht ist. Der Mittelabgriff des Potentiometcrs wird nun über eine mechanische Vorrichtung so verstellt, daß diese Verstellung im logarithmischen Verhältnis zur Betriebstemperatur steht. Hierfür kann eine logarithmische Funktionsscheibe oder ein Elektronikglied verwendet werden. Die über den Umsetzer 21 auf das Ventil 8 wirkende Ausgangsspannung des -Reglcrs 7 ist somit proportional zum Batteriestrom bzw. -spannung und damit zur Menge des gebildeten Reaktionswassers und auch logarithmisch proportional zur Temperatur und damit zum maximal möglichen Wassergehalt der Luft.
  • Die Menge der in das Wärmeleitsystem 2 einströmende Luft ist also proportional zum Batteriestrom oder der Batteriespannung und steht zur Batterietemperatur im gleichen logarithmischen Verhältnis wie der Sättigungswasserdampfdruck der Luft zur Temperatur.
  • Die Verlustwärme der Batterie 1 wird also durch die auf Betriebstemperatur der Batterie aufgeheizte Luft und das weggebrachte Wasser beseitigt.
  • Beim Abschalten der Batterie 1 wird über das Ventil 8 der Luftstrom g' unterbrochen, so daß eine weitere Wasserausbringung unterbleibt. Bei Betriebsbereithaltung der Batterie 1 läuft nur der Ventilator 3.
  • Das die Luft auf die Betriebstemperatur der Batterie 1 aufheizende Wärmeleitsystem 2 kann aus den elektrischen Kontaktelementen der Batterie gebildet sein, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. In der Fig. 2a ist lediglich ein Ausschnitt dargestellt. Die beispielsweise aus Graphit und Kunststoff bestehenden Kontaktelemente 50 der Batterie liegen an einer Elektrode 51 an, an die sich eine Elektrolytmatrix 52 anschließt usw. Jedes Kontaktelement 50 läuft in eine Fahne 53 aus und alle Fahnen der Kontaktelemente bilden das Wärmeleitsystem 2. Die Fahnen können abgedeckt sein. Nach Fig. 2b kann das Wänneleitsystem 2 auch aus dünnen Metallblechen 5R, beispielsweise aus Kupfer, bestehen, die zwischen zwei Kontaktelementen 50 angeordnet sind; die Bleche 54 werden zur externen elektrischen Verschaltung der Zellen herangezogen.
  • Patentansprüche

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Konstanthaltung der Betriebstemperatur und Elektrolytkonzentration einer für Rohgas/Luft-Betrieb ausgebildeten Brennstoffzellenbatterie zenit festgelegtem saurem Elektrolyten, wobei der Batterie ein feuchtigkeitsangereichertes und auf Betriebstemperatur der Batterie liegendes Rohgas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft vor Eintritt in die Kathodengasräume der Batterie (1) auf deren Betriebstemperatur erwärmt und mit einem bestimmten Sättigungsgrad an Wasserdampf in die Kathodengasräume geleitet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellenbatterie (1) mit einem von der Luft durchströmten Wärmeleitsystem (2) versehen ist, dem eine (Patentansprüche) Parallelschaltung eines Vorbefeuchters (10) für die erwärmte Luft und ein steuerbares Ventil (9) nachgesciialtet ist, die mit den Kathodengasräumen der Batterie (1) verbunden ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Wärmeleitsystem (2) eintretende Luftmenge (g) in Abhängigkeit von der Temperatur der Batterie (1) geregelt (6, 20, 5) wird, daß die aus dem Wärmeleitsystem (2# austretende Luftmenge (g') in Abhängigkeit von den elektrischen Größen (Strom, Spannung) der Batterie (1) und von einer zur Betriebstemperatur der Batterie in logarithmischem Zusammeiihang stehende Größe geregelt (7, 21, 8) wird und daß diese Luftmenge (g') aufgeteilt wird in einen einstellbaren (g'1 9) und in einen mit Wasserdampf angereicherten (g'2, 10) Anteil und beide in die Kathodengasräume geleitet sind.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Thermofühlers (6) die Betriebstemperatur der Batterie überwacht, mittels eines Umsetzers (20) in eine mechanische Größe umgesetzt wird, die ein im Eingangsluftkanal angeordnetes Ventil (5) verstellt.
  5. (Pat#r#tansprüche) 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskanal des Wärmeleitsystems (2) ein Ventil (8) angeordnet ist, das über einen Umsetzer (21) von einem Regler (7) verstellt wird, der mit dem Batteriestrom oder der Batteriespannung und mit einer zur Betriebstemperatur in logaritlimischem Zusammenhang stehenden Größe (log T) beaufschlagt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskanal des Wärmeleitsystems (2) aufgeteilt ist in zwei parallel geschaltete Kanäle, die zusammengefaßt in die Kathodengasräume der Batterie (1) führen, und daß in einem Kanal ein Ventil (9) mit einem Umsetzer (22) angeordnet ist, das durch einen Regler (22) verstellt wird, der von einem Feuchtigkeitsfühler (12) beaufschlagt wird, und daß im anderen Kanal ein Vorbefeuchter (10) angeordnet ist, der mit einem am Luftausgang (14) der Batterie (1) angeordneten Kondensor (11) in Verbindung steht.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitsystem (2) aus den elektrischen Kontaktelementen (50) der Batterie (1) gebildet ist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitsystem (2) aus dünnen Metallblechen (54) gebildet ist, die zwischen jeweils zwei Kontaktelementen angeordnet sind.
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