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Anordnung zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden
In Brennstoffelementen werden als Elektroden bekanntlich Gasdiffusionselektroden verwendet, welche den Gasraum und den Elektrolyten makroskopisch trennen und in deren Porenschläuchen sich als Ort der Reaktion die sogenannte Dreiphasengrenze ausbildet. Werden solche Elektroden elektrisch belastet, so treten an denElektroden Polarisationen auf, die ein Absinken der Spannung bewirken. Diese Polarisationen werden beispielsweise in einem mit Wasserstoff- und Sauerstoffgas betriebenen Brennstoffelement mindestens teilweise durch die Bildung von Wasser in den Porenschläuchen der Wasserstoffelektrode hervorgerufen.
Allgemein sind die bei der Reaktion entstehenden Produkte bzw. deren durch die Diffusion nur in beschränktem Masse erfolgender Abtransport aus den Porenschläuchen für einen namhaften Anteil der Gesamtpolarisation verantwortlich.
Es ist bekannt, das Absinken der Spannung dadurch zu vermeiden, dass mit Hilfe einer Referenzelektrode die unerwünschte Polarisation gemessen wird und dass bei Erreichen eines bestimmten, nicht mehr tragbaren Wertes der Elektrode des Brennstoffelementes für kurze Zeit das Brenngas unter höherem Druck zugeführt wird, wodurch die Porenschläuche des Elektrodenkörpers leergeblasen werden und damit die Beseitigung der unerwünschten Produkte und der störenden Polarisation erfolgt.
EineReferenzelektrode, mit der die Polarisation derElektroden gemessen wird und durch welche nach Überschreiten eines gewissen Wertes der Spülgasstrom ausgelöst wird, weist verschiedene Nachteile auf.
Eine Referenzelektrode, die lediglich Regelvorgänge auslösen soll, darf nur eine geringe Menge elektrochemisch erzeugter Energie verbrauchen und daher nur kleine Ströme aufnehmen. Daraus folgt, dass zur - Auslösung der Regelimpulse Verstärker mit empfindlichen Schwellwerteinrichtungen notwendig, sind.
Ausserdem unterliegen Referenzelektroden Änderungen und Alterserscheinungen, die ihre Überwachung und/oder Erneuerung notwendig machen. Schliesslich verursacht die räumliche Anordnung der Referenzelektrode in unmittelbarer Nähe der zu überwachenden Elektrode des Brennstoffelementes mit den erfor- derlichen hochohmigen Steuerleitungen und mechanisch empfindlichen Stromschlüsseln einen hohen Auf- wand und erschwert die konstruktive Gestaltung der Brennstoffelemente in kompakter Bauweise und be- triebssicherer Ausführung.
Durch die Anordnung zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden gemäss der Erfindung werden die genannten Nachteile vermieden. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das
Brennstoffelement über je ein Auslassventil mit dem Gasreservoir und einem Hilfsgasreservoir verbunden ist, die ihrerseits über je einEinlassventil mitGas konstantenDruckes gespeist sind, wobei der Speisedruck desHilfsgasreservoirs höher als derjenige desGasreservoirs ist, und dass normalerweise das Auslassventil des
Gasreservoirs und das Einlassventil des Hilfsgasreservoirs geöffnet sind, dagegen während der Nachfüllperio- de das Einlassventil des Gasreservoirs und das Auslassventil des Hilfsgasreservoirs geöffnet sind.
An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden. In Fig. l ist ein Ausführungsbei- spiel gezeig4 in Fig. 2 der zeitliche Verlauf des Gasdruckes.
In der bevorzugten Anordnung gemäss Fig. 1 ist die Elektrode des Brennstoffelementes über je ein Aus- lassventil mit dem Gasreservoir und einem Hilfsgasreservoir verbunden, die ihrerseits über je ein Einlass- ventil mit Gas konstanten Druckes gespeist werden, wobei der Speisedruck des Hilfsgasreservoirs höher als derjenige desGasreservoirs ist. Normalerweise sind das Auslassventil des Gasreservoirs und das Einlassventil
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Mit E ist die Elektrode des Brennstoffelementes bezeichnet, an welche über die Leitung L das Brenn- gas geführt ist. Mit G ist das die Elektrode über das Auslassventil V speisende Gasreservoir bezeichnet, dessen Gasdruck zwischen den Werten p und p schwanken soll. DieDrucke p und p sind hiebei die obe- ren und die unteren Werte des Betriebsdruckes der Elektrode, innerhalb welcher Einstellungen der Dreiphasengrenze in den Porenschläuchen des Elektrodenkörpers möglich sind, ohne dass das Gas ungenutzt durch die Elektrode strömt.
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Gtil V reduziert den Druck po auf den Druck p, der dem oberen Wert des Betriebsdruckes des Gasreservoirs G entspricht.
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reduktionsventils V, welches den Gasdruck po auf den Wert p reduziert.
In der Gaszuleitung L zur Elektrode E des Brennstoffelementes ist ein Druckfühler F vorgesehen, der die pneumatische Steuerung der Ventile V... V bewirkt.
Der Druckfühler F und die pneumatische Steuerung der Ventile sind so ausgelegt, dass im normalen Betrieb, wenn dem Brennstoffelement Strom entnommen wird, das Auslassventil V des Gasreservoirs ge- öffnet und das Einlassventil Vl geschlossen ist. Gleichzeitig ist das Auslassventil V4 des Hilfsgasreservoirs geschlossen und sein Einlassventil V geöffnet. Das Gas strömt also unter stetig abnehmendem Druck zur Elektrode.
Sobald der Druck im Gasreservoir G und damit in der Gasleitung L den unteren vorgeschriebenen Wert p erreicht, spricht der Druckfühler F an und bewirkt zwecks Nachfüllen desGasreservoirsG das Öff- nen desEinlassventilsV und das Schliessen des Auslassventils V. Gleichzeitig wird das Einlassventil V des
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Wenn derbruck im Hilfsgasreservoir G auf den Wert p abgesunken ist, spricht der Druckfühler F erneut an und bewirkt das Schliessen des Auslassventils V des Hilfsgasreservoirs G und das Öffnen des Aus-
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beitsperiode bezeichnet, während welcher die Elektrode des Brennstoffelementes mit dem Gasreservoir G verbunden ist.
Mit II ist die Spül- und Nachfüllperiode bezeichnet, während welcher die Elektrode am Hilfsgasreservoir G2 liegt und von einem Gasstrom durchströmt wird, dessen Druck höher ist als der ober- ste Betriebsdruck p der Elektrode für den elektrochemischen Umsatz. Die Einstellung der gewünschten Periodenlänge kann leicht durch passende Abstimmung der Druck- und Volumenverhältnisse der beiden Gasreservoire G und G erfolgen.
Die Erfindung beruht darauf, dass gemäss dem Faraday'sehen und dem Boyle-Mariotte'sehen Gesetz eine quantitative Beziehung zwischen der Abnahme des Gasdruckes in einem die Elektrode eines Brennstoffelementes speisenden Gasreservoir, der erzeugten Elektrizitätsmenge und der in den Porenschläuchen der Elektrode abgeschiedenen Menge unerwünschter Produkte besteht. Am Beispiel der Wasserstoff-Elektrode eines Wasserstoff-Sauerstoff-Elementes sei dies näher erläutert.
Auf Grund des Faraday'sehen Gesetzes entsprechen 11,2 Normal-Liter Wasserstoffgas einer Elektrizitätsmenge von 26, 8 Ah bzw. einer abgeschiedenen Wassermenge von 9 g. Wird daher die Elektrode aus einemGasreservoir gespeist, so wird entsprechend dem elektrochemischen Umsatz und dem Inhalt des Gasreservoirs eine Abnahme des Gasdruckes gemäss dem Boyle-Mariotte'sehen Gesetz eintreten. Mit dieser Abnahme des Gasdruckes steht eine entsprechende Bildung von Wasser in der Nähe der Dreiphasengrenze in den Porenschläuchen des Elektrodenkörpers in Zusammenhang. Unterschreitet der Gasdruck einen bestimmten Wert, so ist dies gleichbedeutend mit der Bildung einer bestimmten Wassermenge, deren Abtransport
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durch Diffusion allein nicht mehr in genügendem Masse möglich ist.
Gegenüber der Anwendung einer Referenzelektrode weist die Anordnung gemäss der Erfindung den Vorteil auf, dass die Verschlechterung der Elektrode infolge Polarisation direkt durch den Druckabfall im Gasreservoir erfasst wird und dass die Energie für die Regelung derGaszufuhr grundsätzlich vor der Konversion in elektrische Energie in Form mechanischer Arbeit direkt dem Gassystem entnommen werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zum Betrieb eines Brennstoffelementes mit Gasdiffusionselektroden. dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffelement über je ein Auslassventil mit dem Gasreservoir und einem Hilfsgasreservoir verbunden ist, die ihrerseits über je ein Einlassventil mit Gas konstanten Druckes gespeist sind, wobei der Speisedruck des Hilfsgasreservoirs höher als derjenige des Gasreservoirs ist, und dass normalerweise das Auslassventil des Gasreservoirs und das Einlassventil des Hilfsgasreservoirs geöffnet sind, dagegen während derNachfüllperiode das Einlassventil des Gasreservoirs und das Auslassventil des Hilfsgasreservoirs geöffnet sind.