DE3604618A1

DE3604618A1 - Wasserstoff/sauerstoff brennstoffbatterie

Info

Publication number: DE3604618A1
Application number: DE19863604618
Authority: DE
Inventors: Botho Stuewe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-02-14
Filing date: 1986-02-14
Publication date: 1987-08-20

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Unter "Brennstoffbatterie" sollen hier nicht nur ein zelne, aus einer Reihe von Brennstoffelementen beste hende Batterien, sondern auch Brennstoffzellenaggreate und vollständige -anlagen verstanden werden. Mit dem Be griff "Wasserstoff" wird nicht nur reiner Wasserstoff bezeichnet, sondern darunter sind auch wasserstoffhal tige Gemische zu verstehen, die sich zum Betrieb von Brennstoffelementen eignen. Entsprechend bedeutet "Sauerstoff" nicht nur reinen Sauerstoff, sondern auch sauerstoffhaltige Gase, insbesondere Luft.

Eine gattungsgemäße Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoff batterie ist beispielsweise aus "Enzyklopädie Naturwis senschaft und Technik" 1979 Verlag Moderne Industrie, München, Seiten 585-593 bekannt. Die dort beschriebene Brennstoffbatterie wird mit reinem Wasserstoff, reinem Sauerstoff und wässeriger Kalilauge als Elektrolyt be trieben, wobei der Gasdruck der Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff erhöht ist, um den Elektrolyten einzu schließen und eine Grenzfläche zwischen Gas und Flüssig keit zu erhalten. Die Abwärme und das Produktwasser wer den durch einen Kreislauf des Elektrolyten abgeführt. Hierzu strömt der heiße mit Produktwasser verdünnte Elektrolyt durch eine Trennzelle, in der Wasser dampf förmig durch eine poröse Membran an eine gekühlte Kon densationsfläche geführt wird.

Der zur Entfernung von Abwärme und Produktwasser vorge sehene Elektrolytkreislauf erfordert mindestens eine Elektrolytpumpe, deren Motor seine elektrische Energie aus der Brennstoffbatterie bezieht. Dabei ist die Lei stung der Elektrolytpumpe fest vorgegeben. Ihre An triebsleistung geht zwangsläufig von der Batterielei stung sowohl bei Nennlastbetrieb als auch im Leerlauf in voller Höhe verloren. Außerdem erfordert die Regelung einer elektrisch angetriebenen Elektrolytpumpe einen er heblichen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasser stoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie zu schaffen, bei welcher die Elektrolytpumpe mit geringem Aufwand und ohne Verbrauch an elektrischer Energie betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Wasser stoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie durch die kennzei chnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Elektrolytpumpe wird also durch mindestens eine Tur bine angetrieben, so daß die für den Elektrolytkreislauf erforderliche Energie den gasförmigen Reaktanden entzo gen werden kann. Hierdurch ergibt sich eine platzsparen de Verminderung des elektrisch-elektronischen Aufwandes mit gleichzeitiger Verbesserung der Ex-Sicherheit.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind eine erste Turbine mit einem ersten gasförmigen Reaktan den und eine zweite Turbine mit einem zweiten gasförmi gen Reaktanden beaufschlagbar. Die beiden leistungsab hängigen Volumenströme der beiden Reaktanden bewirken hierbei eine automatische, leistungsabhängige Drehzahl regelung der beiden Turbinen und damit der Elektrolyt pumpe, wordurch ein günstiger Einfluß auf den Wärmehaus halt der gesamten Brennstoffbatterie gegeben ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsge mäßen Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie ben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie in stark vereinfachter schematischer Darstellung und

Fig. 2 Einzelheiten einer der in der Wasserstoff/Sauer stoff Brennstoffbatterie nach Fig. 1 eingesetz ten Turbine.

Die in Fig. 1 lediglich teilweise und schematisch darge stellte Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie Bb weist beispielsweise einen Aufbau entsprechend der aus der DE-PS 21 29 134 bekannten Batterie auf, wobei der Wasserstoff entsprechend der aus der DE-PS 28 36 464 be kannten Ausgestaltung stets vor dem Sauerstoff in die Batterie einströmt.

Der Brennstoffbatterie Bb werden mit dem höheren Druck einer Gasversorgung die beiden gasförmigen Reaktanden R 1 und R 2 durch Arbeitsleitungen A 11 bzw. A 12 zugeführt, wobei es sich bei dem Reaktanden R 1 um reinen Wasser stoff (H₂) und bei dem Reaktanden R 2 um reinen Sauer stoff (O₂) handelt. In der Arbeitsleitung A 11 sind nach einander ein Absperrventil Av 1, ein Reduzierventil Rv 1, eine Turbine T 1 und ein Reduzierventil Rv 10 angeordnet. In dem Reduzierventil Rv 1 erfolgt eine durch ein H₂- Manometer Ml aufgezeigte Reduzierung des H₂-Druckes auf ca. 3,5 bar. Das als Membranventil ausgebildete Redu zierventil Rv 10 hat die Aufgabe, den Aggregat-Eingangs druck auch bei geringsten Aggregatleistungen und insbe sondere auch im Leerlauf konstant zu halten. Der durch ein H₂-Manometer M 10 aufgezeigte Aggregat-Eingangsdruck des in Richtung des Pfeiles Pf 1 in die Brennstoffbatte rie Bb strömenden Wasserstoffs beträgt ca. 2 bar.

In der Arbeitsleitung A 12 sind nacheinander ein Absperr ventil Av 2, ein Reduzierventil Rv 2, eine Turbine T 2 und ein Reduzierventil Rv 20 angeordnet. In dem Reduzierven til Rv 2 erfolgt eine durch ein O₂-Manometer M 2 aufge zeigte Reduzierung des O₂-Druckes auf ca. 4 bar. Das als Membranventil ausgebildete Reduzierventil Rv 20 hat die Aufgabe den Aggregat-Eingangsdruck auch bei geringsten Aggregatleistungen und insbesondere auch im Leerlauf konstant zu halten. Der durch ein O₂-Manometer M 20 auf gezeigte Aggregat-Eingangsdruck des in Richtung des Pfeiles Pf 2 in die Brennstoffbatterie Bb strömenden Sauerstoffs beträgt ca. 2 bar.

Die Anordnung eines H₂-Steuerventils Sv 1 und eines O₂-Steuerventils Sv 2 entsprechend der aus der DE-PS 28 36 464 bekannten Brennstoffbatterie gewähr leistet, daß das Reduzierventil Rv 20 gegenüber dem Re duzierventil Rv 10 verzögert geöffnet wird und daß der in der Brennstoffbatterie Bb entstehende Wasserstoffdruck stets höher ist als der Sauerstoffdruck. Ein an eine Ab zweigung der Steuerleitung des O₂-Steuerventils Sv 2 an geschlossenen Reduzierventils Rv 3 dient der durch einen Pfeil Pf 3 aufgezeigten H₂-Versorgung eines in der Zeich nung nicht dargestellten Elektrolytregenerators. Dieser Elektrolytregenerator in Form eines sog. Spaltverdamp fers kann einen Aufbau aufweisen, wie er aus der DE-PS 21 29 134 bekannt ist.

Zur Entfernung von Abwärme und Produktwasser aus der Brennstoffbatterie Bb ist ein Elektrolytkreislauf vorge sehen. Dieser Elektrolytkreislauf ist in Fig. 1 durch einen Elektrolytbehälter Eb aufgezeigt, an welchen die Saugleitung S 1 einer Elektrolytpumpe Ep angeschlossen ist. Die über diese Saugleitung S 1 aus der Elektrolyt pumpe Ep angesaugte wässerige Kalilauge KOH wird über eine mit D 1 bezeichnete Druckleitung der Brennstoff batterie Bb zugeführt, so wie es durch einen Pfeil Pf 4 angedeutet ist. Die Elektrolytpumpe Ep wird im darge stellten Ausführungsbeispiel durch die beiden Turbinen T 1 und T 2 angetrieben. Hierzu sind die beiden Turbinen T 1 und T 2 über eine Zentraldrehkupplung magnetisch ge koppelt. Ihr gemeinsames Drehmoment wird über eine wei tere Zentraldrehkupplung auf die Antriebswelle der Elek trolytpumpe Ep übertragen.

Die Fig. 2 zeigt in einem Querschnitt Einzelheiten der in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellten Wasser stoff-Turbine T 1, die im Prinzip ähnlich der Peltontur bine als Freistrahlturbine aufgebaut ist. In dem mit Tg bezeichneten Turbinengehäuse ist das Laufrad Lr gela gert, dessen Laufschaufeln mit Ls bezeichnet sind.

Der in dem Regelventil Rv 1 auf einen Druck von ca. 3,5 bar reduzierte Wasserstoff wird der Treibdüse Td der Turbine T 1 zugeführt. In dieser Treibdüse Td wird der durch das Regelventil Rv 10 vorgegebene Differenzdruck von ca. 1,5 bar in kinetische Strömungsenergie umgesetzt, die von den tangential mit dem resultierenden Freistrahl beaufschlagten Laufschaufeln Ls des Laufrades Lr aufge nommen und an den Turbinenrotor Tr als Rotationsenergie für den Antrieb der Elektrolytpumpe Ep (vergl. Fig. 1) abgegeben wird. Da die Turbine T 1 als Gleichdrucktur bine ausgebildet ist, herrscht von der Mündung der Treibdüse Td über den Laufradraum bis zur Austrittsöff nung Ao praktisch der gleiche Druck von ca. 2 bar.

Damit Leistung und Lebensdauer der Turbine T 1 möglichst groß werden ist der Turbinenrotor Tr in einem aerostati schen Gaslager gelagert. Hierzu zweigt von dem Vordüsen raum der Treibdüse Td eine Traggasleitung T 1 ab, durch welche Wasserstoff als Traggas über einen ringförmigen Verteilungsraum Vr den gleichmäßig über den Umfang der Lagerbuchse Lb verteilten Tragdüsen Trd zugeführt wird. Der Turbinenrotor Tr schwimmt also auf einen H₂-Polster. Ab einer vorgegebenen Drehzahl der Turbine T 1, bei wel cher das Gaslager im dynamischen Betriebszustand ver schleißfrei weiterläuft, wird durch ein in Fig. 2 nicht dargestelltes Traggasventil die weitere Zufuhr H₂ als Traggas unterbrochen. Der Traggasanteil wird dann eben falls als Treibgas für den Antrieb der Elektrolytpumpe Ep (vergl. Fig. 1) ausgenutzt.

Die Turbine T 2 (vergl. Fig. 1) weist den gleichen Auf bau wie die in Fig. 2 dargestellte Turbine T 1 auf, wo bei jedoch der H₂-Gasstrom und der O₂-Gasstrom im Ver hältnis 2 : 1 durch die Turbinen T 1 bzw. T 2 strömen. Im Hinblick auf die erzielbare Platzersparnis ist es auch besonders günstig, wenn die O₂-Turbine in geschachtelter Bauweise mit ihrem Gaslager in die Hohlwelle der H₂- Turbine eingebaut wird.

Claims

1. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie mit

- einem wässerigen Elektrolyten,
- mindestens einer Elektrolytpumpe zur Erzeugung eines Elektrolytkreislaufs und
- unter erhöhtem Druck zuführbaren gasförmigen Reaktanden,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Elektrolytpumpe (Ep) durch mindestens eine Tur bine (T 1, T 2) antreibbar ist und
- die Turbine (T 1, T 2) mit mindestens einem gasförmi gen Reaktanden (R 1, R 2) als Treibgas beaufschlagbar ist.

2. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Turbine (T 1) mit einem ersten gasför migen Reaktanden (R 1) und eine zweite Turbine (T 2) mit einem zweiten gasförmigen Reaktanden (R 2) beauf schlagbar sind.

3. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach An spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytpumpe (Ep) durch die erste Turbine (T 1) und die zweite Turbine (T 2) antreibbar ist.

4. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Turbine (T 1, T 2) durch die Strömungsenergie des gasförmigen Reaktanden (R 1, R 2) antreibbar ist.

5. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Turbine (T 1, T 2) als Freistrahlturbine ausgebildet ist.

6. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Turbinenrotor (Tr) in einem aerostatischen Gaslager gelagert ist.

7. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach An spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aerostatische Gaslager bis zu einer vorgeb baren Drehzahl der Turbine (T 1, T 2) mit einem gas förmigen Reaktanden (R 1, R 2) als Traggas (Tg) beauf schlagbar ist.

8. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Turbine (T 1, T 2) mit einem Druckgefälle betreibbar ist, das durch das hö here Druckniveau der Versorgung des gasförmigen Reak tanden (R 1, R 2) und den Aggregat-Eingangsdruck vor gebbar ist.

9. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach An spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbine (T 1, T 2) zur Konstanthaltung des Aggregat-Eingangsdruckes ein Reduzierventil (Rv 10, Rv 20) nachgeordnet ist.

10. Wasserstoff/Sauerstoff Brennstoffbatterie nach An spruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduzierventil (Rv 1, Rv 2) als Membranventil ausgebildet ist.