DE3732234A1 - Inertgasentfernung aus brennstoffzellenbatterien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung inerter Gasanteile aus Brennstoffzellenbatterien.

Die einer Brennstoffzellenbatterie zugeführten Reaktionsgase, wie Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂), sind im allgemeinen nicht rein, sondern enthalten inerte Gasanteile, die an den Elektroden nicht verbraucht werden und deshalb aus der Batterie entfernt werden müssen. Zur ungestörten Gasversorgung einer Brennstoffzellenbatterie hat sich eine sogenannte Kaskadierung gut bewährt (siehe dazu: "Chemie-Ing.-Techn.", 40. Jahrg., 1968, Heft 4, Seiten 185 bis 191). Dabei durchströmt das jewei­ lige Reaktionsgas nacheinander mehrere Stufen, die eine abneh­ mende Zahl von parallelgeschalteten Gasräumen aufweisen.

Da die Gasräume einer Brennstoffzellenbatterie von den Reak­ tionsgasen im allgemeinen in entgegengesetzter Richtung kaska­ denförmig durchströmt werden, ist in der jeweils letzten Stufe, die aus dem Gasraum einer einzigen Zelle besteht, die Inertgas­ konzentration am höchsten. Dadurch ist aber auch der Spannungs­ abfall an der letzten Zelle am höchsten, d.h. die Spannung die­ ser Zelle ist eine Funktion der Inertgaskonzentration. Durch Vergleich der Spannung der letzten Zelle der Kaskade mit dem Mittelwert der restlichen Zellen der Batterie und Festlegung eines zulässigen Spannungsabfalls an der letzten Zelle können die inerten Gasanteile geregelt aus der Batterie abgeführt wer­ den, beispielsweise mit Hilfe einer Steuerelektronik und eines Spülventils, das dann geöffnet wird, wenn die Spannung der letzten Zelle um einen bestimmten Wert vom Spannungsmittelwert der restlichen Zellen abweicht (siehe dazu: "Elektrotechnische Zeitschrift", Bd. 101, 1980, Heft 22, Seiten 1218 bis 1221).

Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise hat den Nachteil, daß eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Strom-Spannungs-Kenn­ linien der einzelnen Zellen der Batterie Voraussetzung ist, und zwar sowohl im Neuzustand als auch im Betrieb, wo eine Alterung der Elektroden erfolgt, und dies sowohl im kalten als auch im betriebswarmen Zustand. Darüber hinaus muß - wegen der für die Nickelanoden, die in H₂/O₂-Brennstoffzellenbatterien mit alka­ lischem Elektrolyt im allgemeinen benutzt werden, vorgegebenen Potentialgrenze - der zulässige Spannungsabfall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spülvorgängen insbesondere auf der H₂-Sei­ te möglichst gering gehalten werden. Dies wiederum bedingt aber eine niedrige Inertgaskonzentration im Spülgas und damit eine große Spülgasmenge. Außerdem bringt die Ansammlung von Inert­ gasen in der Spülzelle automatisch eine Stromdichteerhöhung an denjenigen Teilen der Elektrodenoberfläche mit sich, die nicht vom Inertgas bedeckt sind, d.h. die Spülzelle ist - verfahrens­ bedingt - stets höher belastet als die übrigen Zellen. Daraus kann aber eine erhöhte Alterung resultieren, die die Lebens­ dauer der Brennstoffzellenbatterie bzw. eines Batteriemoduls begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das in einfacher Weise die Entfernung inerter Gasanteile aus Brenn­ stoffzellenbatterien gestattet, wobei aber die Funktionssicher­ heit der Batterie gewährleistet sein muß.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die beiden letzten Zellen am Batterieende jeweils elektrisch parallelge­ schaltet sind und vom Reaktionsgas hintereinander durchströmt werden, und daß die inerten Gasanteile in Abhängigkeit vom Ge­ samt-Batteriestrom und dem durch die beiden letzten Zellen fließenden Strom über ein Spülventil geregelt entfernt werden.

Sammelt sich in der letzten Zelle der Batterie, entweder an einem oder an beiden Batterieenden, Inertgas an, so nimmt der Strom durch diese Zelle - wegen der elektrischen Parallelschal­ tung der beiden letzten Zellen - ab und die - bezüglich der Reaktionsgasführung - davorliegende Zelle, d.h. die vorletzte Zelle, wird höher belastet. Durch Messung des Gesamt-Batterie­ stromes und des Stromes durch die beiden letzten Zellen (mit­ tels Strommeßeinrichtungen) läßt sich dann das Inertgas aus der Batterie mittels einer Steuerelektronik geregelt abführen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Möglichkeit der Ein­ stellung der Spülgaszusammensetzung und der Spülgasmenge erheb­ lich vergrößert und darüber hinaus eine höhere Belastung der Spülzellen, die hier jeweils aus zwei Brennstoffzellen gleicher Konstruktion bestehen, grundsätzlich vermieden. Dieses Verfah­ ren macht außerdem die Inertgasentfernung aus Brennstoffzellen­ batterien weitgehend unabhängig von der Spannung der Spülzellen und erhöht damit die Funktionssicherheit der Batterien.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß der Strom, und zwar derjenige der Spülzel­ len und/oder der Batterie, mittels eines Stromwandlers gemessen wird, und daß als Spülventil ein Magnetventil verwendet wird. Die Strommeßeinrichtung kann beispielsweise aber auch ein Meß­ widerstand sein.

Anhand einer Figur, in der das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Schaltbild dargestellt ist, soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die Figur zeigt schematisch einige Brennstoffzellen einer Brennstoffzellenbatterie, und zwar jeweils endständige Zellen, d.h. die Zellen an den Batterieenden. Die Batterie umfaßt bei­ spielsweise 60 Zellen und kann in der aus der DE-PS 27 29 640 bekannten Weise aufgebaut sein. Die Zellen 1 und 2 sowie 5 und 6 sind elektrisch jeweils parallelgeschaltet. Die Zelle 3 und die nachfolgenden Zellen bzw. die Zelle 4 und die vorangehenden Zellen sind dann dazu jeweils in Serie geschaltet.

In der Verbindungsleitung zwischen den positiven Elektroden der Zellen 1 und 2 ist eine Strommeßeinrichtung 7 angeordnet, in der Verbindungsleitung zwischen den negativen Elektroden der Zellen 5 und 6 eine Strommeßeinrichtung 8. Eine weitere Strom­ meßeinrichtung 9 befindet sich zwischen der Zelle 1 und dem Mi­ nuspol der Batterie. Die Strommeßeinrichtung 7 dient zur Mes­ sung des Stromes in der H₂-Spülzelle und die Strommeßeinrich­ tung 8 zur Messung des Stromes in der O₂-Spülzelle, während der Gesamt-Batteriestrom mittels der Strommeßeinrichtung 9 gemessen wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur Entfernung inerter Gasanteile aus Brennstoff­ zellenbatterien, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden letzten Zellen am Batterieende jeweils elektrisch parallelgeschaltet sind und vom Reaktionsgas hinter­ einander durchströmt werden, und daß die inerten Gasanteile in Abhängigkeit vom Gesamt-Batteriestrom und dem durch die beiden letzten Zellen fließenden Strom über ein Spülventil geregelt entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strom mittels eines Stromwandlers gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Spülventil ein Magnetventil verwendet wird.