SE448505B - H?712/0?712 - brenslecellbatteri - Google Patents

Description

'm H0 448 505 2 teriet. De båda membranventilerna i arbetsledningen är anslutna till denna magnetventil, d v s styrledningar föreligger för mem- branventilerna. .

Vid išånåßäfitniflš av H2/02-bränslecellaggregat eftersträvas det att på grund av faran för oxiderande skador på väteelektroder- na, resp vätekatalysatorerna,att till bränslebatteriet först leda “' det gasformiga bränslet och sedan det gasformiga oxidationsmedlet.

I det kända aggregatet kan därför före membranventilen för oxida- tionsmedlet i den tillhörande styrledningen vara inkopplad en I strypning. Därigenom skall denna membranventil öppnas senare än " membranventilen för bränslet, varigenom det önskade syftemålet uppnås. I Regleringen av gastillförseln medelst ett strypmunstycke är* i praktiken dock svår att genomföra och vidare kan därvid enpkor- rekt funktion icke med säkerhet uppnås. Volymen hos styrledningen från strypmunstycket till 02-membranventilen, inneslutande då membranrummet nämligen relativt liten, och därigenom uppnås myc- ket snabbt genom den inströmmande H2-styrgasen öppningstrycket för 02-membranventilen. Om man nu i fråga om öppningstídpunkten för H2-02-membranventilen eftersträvar en märkbar skillnad, får diametern hos strypmunstycket endast uppgå till ca 0,03 till 0,1 mm, alltefter den erforderliga fördröjningstiden. Sådana munstyc- ken är dock icke endast svåra att framställa reproducerbart, utan det erfordras även användning av en filtrerad gas, eftersom de eljest mycket lätt igensättes. Den kända anordningen har vidare den olägenheten, att syre även skulle strömma in i batteriet om i fall av en defekt H2-membranventilen icke skulle öppnas. Såsom angivits i det föregående, är det dock just detta som skall und- vikas.

Föreliggande uppfinning har till syftemål att utföra ett H2O2- bränslebatteri av tidigare angiven typ med ledningar, mem- branventiler och styrledningar för reaktionsgaserna på sådant sätt, att det med säkerhet uppnås att det i batteriet föreliggande vät- gastrycket alltid är högre än syrgastrycket.. Detta innebär, att vid igångsättningen bränslet måste inströmma i batteriet före Oxi- dationsmedlet, och även först uppnår det önskade trycket, och att vid urkoppling av batteriet vätgasen inströmmar i batteriet under längre tid än syrgasen.

Detta åstadkommes enligt uppfinningen därigenom, app? Ü ~ 02-styrledningen är ansluten till H2-ledningen, varvid den mynnar 41 40 448 505 ---.~.u. i H2-ledningen mellan H2-membranvenfilen ocfivinldppet imšatteriet, - i 02-styrledningen är anordnad en till-, resp. frånkopplings- ventil för den syrehaltiga gasen (02-ventil), över vilken 02- membranventilen kan tryckavlastas, - öppningstrycket för 02-membranventilen är högre än det För H2-membranventilen, och - stängningstrycket För 02-membranventilen är högre än det för H2~membranventilen. Med “bränslebatteri" avses inom ramen För föreliggande uppfinning icke endast enstaka, av en serie av bränsleelement bestående batterier, utan även bränslecellag- gregat och fullständiga bränslecellanläggningar. Med uttrycket "vätehaltig gas" (H2) avses såväl rent väte som vätehaltiga bland- ningar, vilka lämpar sig för drift av bränsleelement, såsom H2/CO-och H2/C02-blandningar. På motsvarande sätt avses med _"syrehaltig gas" (02) såväl rent syre som syrehaltiga gaser, speciellt då luft.

I det föreliggande bränslebatteriet strömmar alltid vätgasen in i batteriet före syrgasen. Tryckökningen hos vätgasen ligger därvid gentemot det hos syrgasen före med ett visst värde, tills i båda fallen arbetstrycket har uppnåtts. Sålunda uppgår exempel- vis vätgasens arbetstryck till 2 bar och syregasens arbetstryck till 1,95 bar. Den högre trycknivån hos vätgasen gentemot syr-- gasen under inkopplingsfasen uppnås därigenom, att 02-styrledningen mynnar i H2-ledningen efter H2-membranventilen, dvs ome- delbart före dess mynning i batteriet. Pâ detta sätt säkerställes tillsammans med det högre öppningstrycket hos 02-membranventilen, att först batteriets vätgasrum fylles med bränsle till öppnings- trycket för 02 ma i syregasrummet. -membranventilen, innan oxidationsmedlet kan inström- Bränslebatteriet enligt uppfinningen har den ytterligare för- delen, att det förhindras att under driften vätgastrycket sjunker under ett bestämt värde utan att batteriet urkopplas. Vid en tryck- sänkning hos vätgasen till stängníngstrycket för O2-membranven- tilen, avbryter denna ventil nämligen syregastillförseln till bat- teriet och detta avstänges. Därigenom erfordras även intet speci- ellt övervakningselement,, exempelvis en tryckväktare, för över- vakningen av vätgastrycket, och som, vid en trycksänkning hos vät- gasen, över 02-styrventilen måste avstänga H2-styrgasen och genom utluftning sänka den till stängningstrycket för 02-membranventilen. 02-styrventilen säkerställer i föreliggande bränslebatteri slut- 1D 448 505 -.--.-\.«:. ligen även, att vid avstängning av batteriet vätgas inströmmar i batteriet under längre tid än syrgas . Vid avstängning av O2-styr- lß ventilen utluftas nämligen 02-membranventilen och stänges däri- genom. Därvid avbrytes tillförseln av syre till batteriet, me- dan väte fortfarande kan strömma in i batteriet.

I jämförelse med det kända batteriet har det föreliggande bränslebatteriet den fördelen, att uteslutande normala lednings- tvärsnitt erfordras, så att de med små strypmunstycken förbund- na problemen;därigenom bortfaller. Dessutom åstadkommas härvid med säkerhet, att vid igångsättning vätgasrummen fylles före syrgasrummen.- « Fördelaktigarutföringsformer av det föreliggande H2/O2-bräns- lebatteriet utgör föremål för underkrav.

Uppfinningen beskrives närmare i samband med ett utförings- exempel och en ritningsfigur, i vilken en speciellt föredragen utföringsform av det föreliggande bränslebatteriet visas.

Det i figuren endast schematiskt antydda H2O2-bränslebatte- riet 10 är exempelvis uppbyggt liknande det batteri som är känt från DE-PS 2 129 IBU, respektive US-PS 3 935 028. Batteriet 10 innehåller exempelvis 70 bränsleelement, vilka genomströmmas kaskadformigt av reaktionsgaserna. De enskilda kaskadorna upp- visar därvid exempelvis i angiven serieföljd de följande cell- antalen: 22, 16, ll, 8, 6, 4, 2 och 1. I figuren visas ledningen av reaktionsgaserna inuti batteriet dock endast förenklad.

Bränslebatteriet 10 tillföres de båda reaktionsgaserna, väte och syre, genom ledningar 11, respektive 12. I H2-ledningen 11 är anordnad en H2-membranventil 13 och i 02-ledningen 12 en 02- membranventil 14. De båda membranventilerna 13 och lü manövreras pneumatiskt. I en H2-styrledning 15, vilken förbinder H2-membran- f ventilen 13 med en i strömningsriktningen före liggande plats i H2-ledningen 11, är en H2-styrventil 16 anordnad. En 02-styrled- ning 17, i vilken är anordnad en till-, respektive frånkopplings- ventil 18 för syrgas, dvs en 02-styrventil, förbinder O2-membran- ventilen lä med H2-arbetsledningen 11. 02-styrledningen 17 mynnar därvid i H2-ledningen 11 vid en plats mellan H2-membranventilen och batteriinloppet, få dvs i strömningsriktningen efter H2-mem- branventilen och före H2-arbetsledningens inlopp i batteriet.

Som reglerventiler 16 och 18 användes 3-vägs-elektromagnetventi- ler, vilka i allmänhet betjänas för hand. Företrädesvis användes 448 505 - _- .A .a:. __ .»~, som reglerventiler elektromagnetventiler av den typ som föreslås i DE-OS 2 736 052.

I omrâdet mellan 02-styrventilen 18 och utmynnande i H2- ledningen ll är till 02-styrledningen.l7 ansluten en tryckledning 19, vilken förbinder G2-styrledningen_med en elektrolytregenerator . Elektrolytregeneratorn kan vara uppbyggd i form av en s k spaltförångare, såsom är känt från DE-PS 21 29 134- I tfyßkled' ningen 19 är anordnad en reduceringsventil 21.

Genom en ledning 22 åstadkommes en förbindelse mellan f ; lednfiušuna ll och 12. Ledningen 22 förbinder därvid en plats i 02-arbetsledningen som i strömningsavseende ligger före batteriet, d v s mellan 02-membranventilen lä och batteriinloppet, med en plats i H2-ledningen som i strömningsavseende ligger efter batte- riet, dvs vid batteriutloppet. I förbindningsledningen 22 är an- ordnade två ventiler 23 och 23, varvid speciellt användes 2-vägs- elektromagnetventiler. Vid batteriutloppet är i ledningarna 11 och 12 slutligen anbragta så kallade spolventiler 25, respektive 26, varvid spolventilen 25 i H2-ledningen därvid i strömningsavseende är anordnad efter munningen för förbindelseledningen 22. Som spol- ventiler användes 2-vägs-elektromagnetventiler, av vilka speciellt spolventilen 26 i 02-ledningen betjänas för hand.

Vid igångsättningen av batteriet tillföres vätgas och syrgas exempelvis var och en över en handventil, till ledningarna. Vät- gasen trycker då mot de stängda H2-ventilerna 13 och 16, och syr- gasen mot den stängda 02-membranventilen lä. Genom-en mekaniskt kopplad handmanövrering öppnas de båda reglerventilerna 16 och 18 samtidigt. Genom H2-styrventilen 16 strömmar då vätgas till mem- branet i H2-membranventilen 13. Vid ett övertryck av ca 0,5 bar öppnar denna ventil och ger fri väg för vätgasen in i batteriet och i 02-styrledningen. Därigenom stiger trycket såväl i batte- riets vätgasrum som även i 02-styrledningen.

Det reglerande vätgastryck som uppbygges i 02-styrledningen 17 över den öppna 02-styrventilen 18 åstadkommer vid ett över- tryck av ca 0,7 bar en öppning av 02-membranventilen lä. Därefter strömmar syrgas, gentemot vätgasen med tidsfördröjning, in i bränslebatteriet, dvs in i syrgasrummen. Härigenom uppbygges en batterispänning, vilken sedan även övertager öppethållandet av de båda styrventilerna 16 och 18, eftersom deras spolar matas av batterispänningen. Handmanövreringen av de båda reglerventi- 40 448 505 lerna kan nu frânkopplas. __ . __._ _ -~f;f Urkopplingsförloppet genomföres på följande sätt. Genom en elektrisk brytare rws a1urmmflare,resp genom reaktion av en över- vakningsfunktion brytes strömkretsen till 02-styrventilen 18.

Därvid stänges denna ventil och övergår till avluftningsställ- ning för membranet i 02-membranventilen 14. Vid ett övertryck av ca 0,6 bar stänger ventilen 10, varigenom tillförseln av sy- ret till batteriet brytes. Vid kvarvarande elektrisk belastning förbrukas sedan den i batteriets syrgasrum fortfarande förelig- gande syrgasen: medelst den på samma sätt som tidigare i batte- riet strömmande vätgasen. Vid minskande gasmängd sjunker då även batterispänningen tills den, exempelvis vid ett värde av ca 2 volt, uppnår slutningsspänningen för H2-styrventilen 16.

Först vid denna tidpunkt stänger då ventilen=l6, avluftar mem- branrummet i H2-membranventilen och utlöser stängningsförloppet för denna.

Vid ett tpyckfall i H2-ledningen_övertages övervakningen _ av vätgastrycket genom den i det föregående visade anordningen på så sätt, att det sjunkande vätgastrycket i H2-arbetsledningen och H2-styrledningen vid ett övertryck på ca 0,6 bar åstadkom- mer en stängning av 02-membranventilen, varigenom syrgastill-- förseln till batteriet brytes. Därvid uppfylles genom det högre stängningstrycket hos 02-membranventilen i jämförelse med det hos H2-membranventilen det kravet, att vid batteriets avstängning resp vid övervakningen av trycket vätgasen skall kvarbli i batte- riet så länge som möjligt.

De båda ventilerna 23 och 2H i förbindelseledningen 22 mellan H2--och 02- ledningen är såväl i vilo- som även i drifts- tillstånd stängda. Vid manövrering av avstängningskontakten, resp vid reaktion hos en säkerhetsfunktion öppnas båda de penu- matiska seriekopplade ventilerna över en elektronisk reglering.

De förblir sedan_öppna så länge, att den i avstängningsstadiet sjunkande batterispänningen uppnår ventilernas stängningsspänning.

Det korta öppnandet av ventilerna 23 och 2H i avstängningsfasen har till syftemål att ge vätgasen, vilken i batteriet fortfaran- de föreligger med fullt tryck, möjlighet att inströmma i syrgas-- rummen, i vilka syrgastrycket genom den tidigare stängningen av 02-membranventilen lä och det samtidiga öppnandet av O2-spolven- tilen 16 har sjunkit i jämförelse med vätgastrycket.

Efter det att §amtliga ventiler (13, lä, 16, 18, 23, ZÄ, 25 ä) 448 505 7 Och 25) etter uppnående av sin slutningsspänning'är.stängdaï kvarstår 1 samtliga gasutrymmen i batteriet ett visst vätgasöver- tryck. Därigenom förebyggas å ena sidan risken för oxidation av katalysatorerna, och å andra sidan förhindras en flödning av gas- rummen med elektrolytvätska. Flödade gasrum skulle nämligen ha till följd, att vid varje inkopplingsförlopp samtliga gasrum först genom den inströmmande gasen måste befrias från elektrolyt-i vätskan, vilket skulle leda till trycksvängningar, vilka skulle kunna vara skadliga för asbestdiafragmorna.

Reduceringsventilen 21 påverkas av H2-styrledningen 17 med ett övertryck av ca 1 bar. I själva ventilen minskar detta tryck till ett övertryck av ca 0,4 bar och ledes till elektrolytrege- neratorns gasrum. Det reducerade gastrycket har därvid till upp-1 gift att som mottryck till elektrolytpumpens tryck förhindra en enkelsidig tryckbelastning av asbestdiafragmorna i elektrolytre- generatorn.

Claims (3)

»utsa- i ses 8 Patentkrav _ "" '

1. H2/02-bränslecelibatteri (10), innefattande f en ledning (11) För en vätehaltig gas (H2-ledning), _ en medelst gastryck styrbar membranventil (13) i H2-ledningen "¿1 (H2-membranventil), - en styrledning (15) för H2-membranventilen (H2-styrledning), vilken är ansluten uppströms till H2-ledningen, - en till-, resp. Frånkopplingsventil (16) för den vätehaltiga gasen i H2-styrledningen (H2-ventil), över vilken H2-membran- ventilen kan tryckavlastas, - en ledning (12) för en syrehaltig gas (02-ledning),_ - en medelst gastryck styrbar mambranventil (14) i 02-ledningen (02-membranventil), och - en styrledning (17) för 02-membranventilen (02-styrledning), k ä n n e t e c k n a t därav, att - 02-styrledningen (17) är ansluten till H2-ledningen (11), var- vid den mynnar i H2-ledningen (11) mellan H2-membranventilen (13) och ínloppet i batteriet, - i 02-styrledningen (17) är anordnad en till-, resp. Frånkopp- língsventil (18) för den syrehaltiga gasen (02-ventil), över vilken 02-membranventilen (14) kan tryckavlastas, - öppningstrycket för 02-membranventilen är högre än det för H2-membranventilen (13), och - stängningstrycket för 02-membranventilen (14) är högre än det för H2-membranventilen (13).

2. Bränslebatteri enigt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att till 02-styrledningen (17), mellan 02-ventilen (18) och mynningen i H2-ledningen (11), en tryckledning (19) över en reduceringsventil (21) är ansluten till en elektrolytregenerator (20).

3. Bränslebatterí enigt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att mellan H2-ledningen (11) vid batteriutloppet och 02-ledningen (12) vid batteriinloppet är anordnad en förbindelse- lêdfiifig (22), i vilken är anordnad minst en ventil (23, 24), vilken endast är öppnad under frånkopplingsförloppet- k)