DE2545098A1

DE2545098A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE2545098A1
Application number: DE19752545098
Authority: DE
Inventors: Jacques Cheron
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1976-04-22
Also published as: BE834213A; GB1528198A; SE7511213L; IT1043192B; NL7511911A; JPS5163445A; FR2287784A1; CH592965A5; FR2287784B1; ES441571A1; US4015052A; SE425876B; CA1058696A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere eine besondere Anordnung der die Brennstoffzelle bildenden Elemente. Diese Anordnung soll es ermöglichen, die Anzahl der Zusatzeinrichtungen der Zelle zu vermindern und zu einer Gewichts- und Platzbedarf herabsetzung zu gelangen.

Insbesondere richtet sich die Erfindung auf eine Brennstoffzelle, in der die Rückgewinnung und Rezirkulation der Elektrolytverluste erleichtert werden und direkt durch die den Elektrolytspeisekreis der Zelle ausrüstenden Zusatzeinrichtungen erhalten werden.

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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Figur 1 schematisch eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik zeigt;

Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung j

Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung.

In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen Elemente verwendet worden.

In Figur 1, in der schematisch eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik dargestellt ist, bezeichnet 1 einen Brennstoffzellenblock, in denElektroden beispielsweise Kammern begrenzen, welche den Brennstoff aufnehmen sollen, Kammern, die den Sauerstoffträger (Brennmittel) aufnehmen und Kammern, die mit Elektrolyt gespeist sind.

Der Kreis zur Speisung des Zellenblocks 1 mit Elektrolyt ist in durchgezogenen Linien gezeigt, wogegen die Speisekreise des Zellenblocks 1 mit Brennstoff und Sauerstoffträger nicht dargestellt sind. Der Elektrolytspeicherkreis umfaßt einen Elektrolyt-speicher 2, dessen Austrittsöffnung mit der Eintrittsöffnung einer Pumpe 4 über eine Leitung verbunden ist. Eine Leitung 5 setzt die Austrittsöffnung der Pumpe 4 mit der Eintrittsöffnung des Zellenblocks 1 in Verbindung. Die Austrittsöffnung des Zellenblocks 1 ist über die Leitung 6-6a mit der Eintrittsöffnung des Elektrolytspeichers 2 über einen Wärmeaustauscher 7 verbunden.

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Die Elektrolytzirkulation im Speisekreis wird durch die Pumpe 4 gewährleistet. Nach Durchfließen des Zellenblockes wird der Elektrolyt im Wärmeaustauscher 7 abgekühlt, der so ausgelegt ist, daß er im Kreis einen möglichst geringen Druckverlust hervorruft.

Bei Durchgang des Elektrolyten durch den Zellenblock stellt man allgemein fest, daß eine geringe Elektrolytmenge in die für Brennstoff und Brennmittel vorbehaltenen Kammern eindringt, was zu einer Verminderung der Leistungen der Brennstoffzelle führt.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind allgemein Rückgewinnungs- und Rezirkulationskreise für die Elektrolytverluste vorgesehen, die gestrichelt in Figur 1 angedeutet sind. Diese Kreise, die von an sich bekannter Art sein können, umfassen beispielsweise einen Rückgewinnungsspeicher 8 für den Elektrolyten, welcher in die Brennstoff kammern eingetreten ist, sowie einen Rückgewinnungsspeicher 9 für den Elektrolyten, der in die Sauerstoffträgerkammern eingedrungen ist.

Der Speicher 8 ist über die Leitung 10 mit den mit Brennstoff gespeisten Zwischenelektroden verbunden, während eine Leitung 11 den Speicher 9 und die Kammern des Zellenblocks 1 in Verbindung setzt, die mit Sauerstoffträger gespeist sind. Diese beiden Speicher sind über eine Rezirkulationsleitung 12 mit dem Elektrolytspeisekreis des Zellenblockes verbunden.

Man verwendet in Zuordnung zu jedem Rückgewinnungsspeicher eine Vorrichtung zum Verschließen der Leitung 12, wodurch verhindert wird, daß ein Teil des Brennstoffs oderdes Sauerstoffträgers in den Elektrolytkreis eindringt.

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Diese Schließeinrichtungen können beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich in Form von Klappen realisiert sein, welche durch in den Rückgewinnungsspeichern angeordnete Schwimmer betätigt werden oder, sie bestehen, wie in Figur 1 schematisch dargestellt, aus Magnetventilen 13 und 14, deren Öffnen und Schließen als Funktion eines Signals hervorgerufen werden, welches beispielsweise durch die Schwimmerverschiebungen erzeugt wurde, wodurch die magnetischen Charakteristiken der ihnen zugeordneten Kreise modifiziert werden.

Bekannte nicht dargestellte Einrichtungen können vorgesehen sein, um nach der Kondensation den im Zellenblock 1 gebildeten Wasserdampf rückzugewinnen, wobei diese Einrichtungen vorzugsweise vor Magnetventilen und 14 geschaltet sind.

Allgemein sind diese Schließeinrichtungen so ausgelegt, daß sie die Rückgewinnungsspeicher 8 und 9 in Verbindung mit der Rezirkulationsleitung 12 setzen, wenn das Elektrolytniveau in den Rückgewinnungsspeichern beim Zunehmen einen bestimmten Maximalwert erreicht hat, und diese Verbindung unterbrechen, wenn dieses Elektrolytniveau beim Fallen einen bestimmten Minimalwert erreicht.

Eine Hilfspumpe 15 ermöglicht es, den so rückgewonnenen Elektrolyten in den Speisekreis des Zellenblocks wieder einzuführen. Hierzu erhöht die Hilfspumpe 15 den Druck des rückgewonnenen Elektrolyten auf einen Wert, welcher über dem atmosphärischen Druck liegt, der in den Rückgewinnungsspeichern 8 und 9 und im Speicher 2 herrscht.

Ebenfalls bekannt ist es, die Hilfspumpe 15 durch ein Organ wie eine Vakuumpumpe zu ersetzen, welche im Speicher 2 einen Unterdruck erzeugt, der ausreicht,

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damit der Elektrolyt aus der Leitung 12 in den Speicher unter der Wirkung der Differenz der Drücke, die jeweils in den Rückgewinnungsspeichern 8 und 9 und im Speicher herrschen, fließt.

Nach der Erfindung soll erreicht werden, daß dieses Hilfsorgan fortfällt, indem man die Elemente des Speisekreises des Zellenblocks wie in Figur 2 gezeigt, anordnet.

Der Speicher 2 ist derart angeordnet, daß das Niveau h des Elektrolyten in diesem Speicher wenigstens gleich und vorzugsweise höher als das Niveau h, der Öffnung, über die der Elektrolyt aus dem Zellenblock austritt, ist, wobei der Elektrolyt in diesem Speicher dem atmosphärischen Druck ausgesetzt ist. Die Pumpe 4 ist tiefer als der Speicher 2 angeordnet, derart, daß die Austrittsöffnung des Speichers 2 auf einer Höhe h_2> die höhe? als das Niveau h, der Eintrittsöffnung der Pumpe 4 ist, sich befindet. Darüberhinaus ordnet man in der Leitung 3-3a, welche die Austrittsöffnung des Speichers 2 mit dem Eintritt der Pumpe 4 verbindet, ein Organ 16 an, welches innerhalb des ausströmenden Elektrolyten einen dynamischen Druckverlust derart hervorruft, daß dessen Wert wenigstens gleich dem Wert des hydrostatischen Drucks des Elektrolyten entsprechend der Niveaudifferenz Yi-, - h = H und kleiner als der Wert des Förderdrucks der Pumpe 4 ist, der definiert ist als die Differenz der Drücke zwischen den Förder- und Eintrittsöffnungen der Pumpe.

Man hat festgestellt, daß unter diesen Bedingungen der Druck des Elektrolyten an der Eintrittsöffnung der Pumpe kleiner als der atmosphärische Druck ist, d.h., kleiner als der Druck des Elektrolyten in den Rückgewinnungsspeichern.

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Verbindet man die Rezirkulationsleitung 12 mit dem Eingang der Pumpe 4, wie Figur 2 erkennen läßt, so werden die Elektrolytverluste selbsttätig wieder in den Speisekreis des Zellenblocks eingeführt, ohne daß ein drehendes Hilfsorgan notwendig wäre.

Nach der in Figur 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Organ, welches den Druckverlust zwischen dem Speicher 2 und der Pumpe 4 erzeugt, aus dem Wärmeaustauscherorgan 7, welches derart ausgelegt ist, daß es einen dynamischen Druckverlust der oben definierten Art aufweist.

In Praxis hat die Höhe H einen Wert benachbart dem der Höhe des Zellenblockes 1 und der Wärmeaustauscher ist beispielsweise aus einem kalibrierten schlangenartigen Rohr, das mit Kühlrippen besetzt ist, aufgebaut.

Patentansprüche -

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Claims

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Aff. 1527

PATENTANSPRÜCHE

Brennstoffzelle mit einem Zellenblock mi't geeignet ausgebildeten Öffnungen, über die Einführen und Abziehen eines Brennstoffs, eines Sauerstoffträgers und eines Elektrolyten ermöglicht werden, welche während des Zellenbetriebs in den benachbarten geeignet ausgebildeten Kammern des Zellenblocks, welche durch Elektroden abgegrenzt sind, zirkulieren, wobei der Elektrolyt durch einen mit dem Block verbundenen Speisekreis geliefert wird, der wenigstens einen Elektrolytspeicher mit einer Eintrittsöffnung aufweist, die mit der Abzugsöffnung des Elektrolyten, der den Zellenblock durchsetzt hat, in Verbindung steht; und mit einer Austrittsöffnung, welche mit der Eintrittsöffnung des Elektrolyten in den Zellenblock über eine Druckaufbaupumpe mit einer Ansaugöffnung und einer Förderöffnung in Verbindung steht* wobei diese Zelle Rückgewinnungskreise für den in die Kammern des Zellenblocks eingedrungenen Elektrolyten aufweist, wobei die Kammern während des Zellenbetriebs nicht mit Elektrolyt gespeist sind und diese Kreise mit dem Elektrolytspeisekreis des Zellenblocks in Verbindung stehen, gekennzeichnet durch ein Organ derartiger Auslegung, daß ein Druckverlust bestimmten Wertes im Elektrolytspeisekreis zwischen Speicher und Pumpe geschaffen wird; daß Speicher und Pumpe bezüglich einander in einer Lage derart gehalten werden, daß die Austrittsöffnung dieses Speichers sich auf einem Niveau befindet, das oberhalb desjenigen der Einlaßöffnung der Pumpe vorgesehen ist; und daß diese

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Rückgewinnungskreise mit der Ansaugöffnung der Pumpe verbunden sind.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der Elektrolyt dem atmosphärischen Druck in diesem Speicher ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des durch dieses Organ erzeugten Druckverlustes zwischen dem Wert des hydrostatischen Drucks des Elektrolyten in Höhe der Ansaugöffnung der Pumpe und dem Wert des Förderdrucks der Pumpe liegt.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Speicher und dieser Brennstoffzellenblock bezüglich einander in einer Lage derart gehalten sind, daß die Eintrittsöffnung dieses Speichers auf einer Höhe, höher als die der Abzugsöffnung für den Elektrolyten, der den Zellenblock durchflossen hat, liegt.
4. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Druckverlust erzeugende Organ aus einem Wärmeaustauscherorgan besteht, welches für die Abkühlung des Elektrolyten nach dessen Durchgang im Zellenblock sorgt.

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