DE1158140B - Schutzvorrichtung zur Verhinderung von groesseren Gasdruckunterschieden zwischen den beiden Gaskammern eines galvanischen Brennstoffelementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Verhinderung von größeren Gasdruckunterschieden zwischen den beiden Gaskammern eines galvanischen Brennstoffelementes mit einer zwischen zwei Elektroden angeordneten Ionenaustauschermembran als Elektrolyt, wobei die Elektroden an der Ionenaustauschermembran anliegen und jede Elektrode jeweils eine Wand einer mit Brennstoffgas bzw. oxydierendem Gas gefüllten Kammer bildet.

Bei einer galvanischen Brennstoffelementart ist zwischen zwei durchlässigen Elektroden ein fester Elektrolyt angeordnet, an dem die Elektroden anliegen und der aus einer Ionenaustauschermembran besteht. Die eine Elektrode ist einem oxydierenden Gas und die andere Elektrode einem Brennstoffgas, beispielsweise Wasserstoff, ausgesetzt.

Beim Betrieb von galvanischen Brennstoffelementen mit einem festen Elektrolyten muß fortlaufend Brennstoffgas und oxydierendes Gas, beispielsweise Luft, zugeführt werden. Diese Gasquellen müssen von Zeit zu Zeit aufgefüllt werden. Geschieht dies nicht und wird die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden nicht unterbrochen, so arbeitet das Brennstoffelement so lange, bis der Gasdruck an der entsprechenden Elektrode einen weit unterhalb des Normaldruckes liegenden Wert erreicht. Falls das andere Reaktionsgas unter normalem, verhältnismäßig hohem Druck bleibt, entsteht zwischen den beiden gegenüberliegenden Seiten der Ionenaustauschermembran auf diese Weise ein wesentlicher Druckunterschied. Diese Erscheinung muß besonders bei Verwendung von Brennstoffelementen an entfernt liegenden oder unbeaufsichtigten Stromerzeugungsanlagen und bei tragbaren Stromerzeugungsanlagen beachtet werden.

Die bei Brennstoffelementen mit festem Elektrolyten verwendeten Ionenaustauschermembranen haben nur eine sehr begrenzte Festigkeit. Da ihre Dicke auf die Arbeitsweise des Elementes keinen Einfluß hat und zwischen einigen hundertstel und ¹Iz mm oder mehr schwanken kann, macht man die Membran aus wirtschaftlichen Gründen und zur Erzielung eines sehr hohen, auf das Volumen des Elementes bezogenen Wirklungsgrades so dünn wie möglich. Stärken von 0,05 bis 0,75 mm wurden erfolgreich verwendet.

Tritt auf Grund des Verbrauches eines der Reaktionsgase zwischen den beiden gegenüberliegenden Seiten der Membran ein großer Druckunterschied auf, so kann die dünne Ionenaustauschermembran leicht zerplatzen. Dies wirkt sich nicht nur auf den Betrieb des Elementes aus, sondern hat auch zur Schutzvorrichtung zur Verhinderung von

größeren Gasdruckunterschieden

zwischen den beiden Gaskammern

eines galvanischen Brennstoffelementes

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. M. Licht,

München 2, Sendlinger Str. 55,

und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal),

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. Februar 1960 (Nr. 11 697)

Richard Hardin Blackmer, Topsfield, Mass.

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Folge, daß das oxydierende Gas mit dem Brennstoffgas unmittelbar in Berührung kommt und in Gegenwart der katalytischen Elektroden ein örtlich begrenzter oder größerer Brand entsteht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffelement mit einer Vorrichtung zu schaffen, welche das Element nach dem Aufbrauchen eines der Reaktionsgase selbsttätig abschaltet und so verhindert, daß die Ionenaustauschermembran des Elementes durch den Druckunterschied der beiden Reaktionsgase zerstört wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher eine Schutzvorrichtung für ein Brennstoffelement mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Elektrolyten geschaffen. Jede Elektrode liegt dabei am Elektrolyten an und bildet jeweils eine Wand einer Kammer. Der einen der beiden durch den Elektrolyten getrennten Kammern wird das oxydierende Gas

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und der anderen das Brennstoffgas zugeführt. Die Schutzvorrichtung enthält auf einen Vergleichsdruck ansprechende Mittel, die aus einem Behälter bestehen, der über eine Rohrleitung mit wenigstens einer der beiden Kammern in Verbindung steht und mit deren Hilfe die eine oder andere Kammer mit einem neutralen Stoff gefüllt werden kann, wenn der Reaktionsgasdruck in der einen oder anderen Kammer auf einen unter dem Vergleichsdruck liegenden Wert absinkt.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der als neutraler Stoff eine Flüssigkeit und als Vergleichsdruck Atmosphärendruck verwendet wird,

Fig. 2 einen Längsschnitt einer sowohl für Flüssigkeit als auch Gas geeigneten Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Behälters für das neutrale Medium,

Fig. 3 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Behälters für den neutralen Stoff, wobei als Vergleichsdruck ein über Atmosphärendruck liegender Druck verwendet wird,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Behalter für den neutralen Stoff zusammen mit einem dehnbaren Behälter in einem ausdehnbaren Gefäß angeordnet ist,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Überfluten sowohl der Brennstoffgaskammer als auch der Kammer für das oxydierende Gas durch den Druckunterschied reguliert wird,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Überfluten einer Kammer mit unter Druck stehendem neutralem Gas durch den Druckunterschied zwischen Brennstoffgaskammer und der Kammer für das oxydierende Gas geregelt wird.

Das in Fig. 1 gezeigte Brennstoffelement besteht aus einer Ionenaustauschermembran 1, die zwischen zwei an ihr anliegenden Gittern 2 und 3 angeordnet ist. Die Gitter 2 und 3 sind mit elektrischen Leitungen 4 und 5 verbunden, über welche der in dem Element erzeugte elektrische Strom einem Verbraucher zugeführt wird. Die Hauptflächen der Membran 1 sind mit gasdurchlässigen katalytischen Elektroden versehen, welche einen Teil der Gitter bilden können oder fest mit der Membran verbunden sind. Dem Gitter 3 und der Membran 1 wird über eine Leitung 6 und eine Kammer 7 Brennstoffgas zugeführt. An der Kammer 7 ist ein mit einem Ventil versehener Auslaß 10 vorgesehen, durch welchen irgendwelche mit dem Brennstoffgas in die Kammer gelangende Verunreinigungen oder irgendwelche Reaktionsprodukte des Brennstoffgases entfernt werden können. Das oxydierende Gas, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, wird über eine Leitung 8 einer Kammer 9 zugeführt, die einen mit einem Ventil versehenen Auslaß 11 besitzt, durch welchen neutrale Gase oder Reaktionsprodukte des oxydierenden Gases entfernt werden können.

Zur Belieferung des Brennstoffelementes mit Brennstoffgas und oxydierendem Gas können irgendwelche Gasquellen verwendet werden. Beispielsweise kann die Kammer 9 über die Leitung 8 mit atmosphärischer Luft und die Kammer 7 über die Leitung 6 mit einem von einem Generator 12 erzeugten Brennstoffgas beschickt werden. Der Generator 12 besteht aus einer bekannten Vorrichtung zum Mischen von Brennstoffgas erzeugenden Reaktionsteilnehmern. Beispielsweise kann Wasserstoffgas aus Hydriden oder Borhydriden freigesetzt werden, indem eine wäßrige Lösung mit diesen Stoffen vermischt wird, die in bestimmten Mengen zugegeben werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist ein dehnbarer Behälter 13 aus einem bekannten ausdehnbaren Balg enthalten, der durch eine Leitung 14 in Reihe zwischen dem Generator 12 und der Leitung 6 eingeschaltet ist und einen Brennstoffgasspeicher bildet, so daß der Betrieb des Brennstoffelementes noch kurzzeitig fortgesetzt werden kann, wenn die Brennstoffgas erzeugenden Reaktionsteilnehmer einer Ergänzung bedürfen. Der dehnbare Behälter 13 dient auch zur Einschränkung von Schwankungen im Gasdruck, die durch die normalerweise unregelmäßige Reaktionsgeschwindigkeit des Generators entstehen.

In der Leitung 14 ist eine Trennstelle 15 vorgesehen, so daß der Generator 12 abgenommen und die Reaktionssubstanzen leichter nachgefüllt werden können. Die Trennstelle 15 wird normalerweise durch Flansche 16 und 17 gas- und flüssigkeitsdicht zusammengehalten. Die Flansche 16 und 17 sind miteinander durch Schrauben 18 oder andere leicht lösbare Verbindungsmittel verbunden. Damit nach Entfernung des Generators 12 das Brennstoffgas vom dehnbaren Behälter 13 nicht in die Atmosphäre ausströmen kann, ist in der Leitung 14 ein Rückschlagventil 19 angeordnet, das nur in der durch den Pfeil angegebenen Richtung durchströmt werden kann.

Werden die gaserzeugenden Reaktionssubstanzen im Generator 12 nicht ergänzt, wenn sie aufgebraucht sind, dann arbeitet das Brennstoffelement so lange weiter, bis der Brennstoffgasdruck in der Kammer 7 einen weit unter Atmosphärendruck liegenden Wert erreicht. Da der Luftdruck in der Kammer 9 normal bleibt, muß die Membran 1 einen Druckunterschied in der Größenordnung von einer Atmosphäre aushalten. Ionenaustauschermembranen mit einer in dem bevorzugten Bereich liegenden Dicke, d. h. mit einer Dicke von ungefähr 0,05 bis 0,75 mm, können bei einem Druckunterschied dieser Größe zerbrechen. Da in einem solchen Falle die Reaktionsgase in Gegenwart der katalytischen Elektroden 2 und 3 miteinander in Berührung kämen, würde die Stromerzeugung gestört werden und ein örtlicher oder allgemeiner Brand ausbrechen.

Zur Verhinderung eines Membranbruches werden Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe die Kammer 7 mit einem neutralen Stoff überflutet werden kann, wenn der in der Kammer 7 herrschende Brennstoffgasdruck unter einen Vergleichwert sinkt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform bestehen diese Mittel aus einem Behälter 21, der eine neutrale Flüssigkeit 22 enthält. Obwohl irgendeine Flüssigkeit verwendet werden kann, die in dem Brennstoffelement nicht reagiert, verwendet man vorzugsweise Wasser. Eine Dehydratisierung der Membran 1 wird auf ein Mindestmaß herabgesetzt, wenn die Kammer 7 unter Wasser steht, so daß während der Stillegung eine Zerstörung der Emulsion verhindert wird.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird Atmosphärendruck als Vergleichsdruck verwendet. Zu diesem Zweck steht die Flüssigkeit 22 durch ein

in dem Behälter 21 eindringendes Rohr 23 mit der Atmosphäre in Verbindung. Am Rohr 23 ist ein Schwimmer 24 aus irgendeinem geeigneten Werkstoff, beispielsweise Holz, befestigt, so daß bei keiner Stellung des Behälters die Flüssigkeit in das Rohr eindringen und aus dem Behälter ausströmen kann.

Über ein Rohr 25 kann eine Flüssigkeit 22 aus dem Behälter 21 in die Kammer 7 geleitet werden. Das Rohr 25 und der Behälter 21 liegen unterhalb der Kammer 7, so daß die Flüssigkeit 22 nicht infolge der Schwerkraft in die Kammer 7 strömt. Das Rohr 25 ist mit einem Gewicht 26 beschwert, wodurch das Rohr 25 unabhängig von der Lage des Behälters immer innerhalb der Flüssigkeit gehalten wird und daher kerne Luft über das Rohr 25 in die Kammer 7 eindringen kann. Die Vorrichtung kann also ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen transportiert werden.

Das Rohr 25 verzweigt sich bei 27, 30, so daß zwei parallel verlaufende Rohrleitungen entstehen, von denen die eine mit einem bekannten Rückschlagventil 28 und die andere mit einem von Hand zu betätigenden Ventil 29 versehen ist. Das Ventil 29 ist normalerweise geschlossen und ist für die Entleerung der Kammer 7 nach Überflutung derselben vorgesehen. Das Rückschlagventil 28 kann nur in Richtung des eingezeichneten Pfeiles durchflossen werden, so daß kein Brennstoffgas von der Kammer 7 in den Behälter 22 strömen kann und daher eine wesentliche Feuergefahr beseitigt wird.

Das Brennstoffelement ist betriebsfähig, wenn die Kammer 9 mit Luft gefüllt ist und durch den Generator 12 und den dehnbaren Behälter 13 der Kammer 7 Brennstoffgas mit einem Druck zugeführt wird, der gleich oder größer als Atmosphärendruck ist. Falls jedoch infolge des Verbrauches des Brennstoffelementes der Brennstoffgasdruck unterhalb Atmosphärendruck absinkt, wird durch den im Behälter 21 herrschenden Atmosphärendruck die neutrale Flüssigkeit 22 durch das Rohr 25 gedrückt. Die neutrale Flüssigkeit 22 überflutet die Kammer 7 und preßt das noch vorhandene Brennstoffgas in den dehnbaren Behälter 13, bis sich ein Druckgleichgewicht mit der Atmosphäre einstellt. Normalerweise wird ein Ausgangsgleichgewicht erreicht, bevor die Membran 1 vollständig überflutet ist, so daß das Brennstoffelement noch eine Zeitlang weiterarbeitet. Dabei wird der Brennstoffgasdruck weiter verringert und die Membran weiter überflutet, bis die Membran vollständig von der neutralen Flüssigkeit bedeckt wird. In diesem Falle hört dann die Elementreaktion und die Überflutung auf, und es ist ein endgültiges Druckgleichgewicht erreicht.

Bei Wiederinbetriebnahme des Brennstoffelementes werden die die Flansche 16,17 verbindenden Schrauben 18 entfernt, so daß der Generator 12 von der Leitung 14 abgenommen werden kann und die gaserzeugenden Reaktionssubstanzen ersetzt werden können. Anschließend wird dann das Ventil 29 geöffnet und der Generator 12 wieder an die Leitung 14 angeschlossen. Der Brennstoffgasdruck im dehnbaren Behälter 13 und in der Kammer 7 steigt dabei auf einen über Atmosphärendruck liegenden Wert an, so daß die neutrale Flüssigkeit durch den Brennstoffgasdruck und durch die Schwerkraft von der Kammer 7 über das Rohr 25 in den Behälter 21 gedrückt wird. Das Brennstoffelement arbeitet dann in normaler Weise weiter.

In Fig. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform eines Behälters für den neutralen Stoff gezeigt. Dieser Behälter besteht aus einem ausdehnbaren Beutel 33 aus Gummi, Kunststoff oder einem anderen verformbaren Werkstoff. Der Innenraum des Beutels steht mit einem gas- und flüssigkeitsdicht eingeführten Rohr 34 in Verbindung, durch das der neutrale Stoff 35 dem Brennstoffelement zugeführt werden kann. Der Behälter 33 kann entweder mit einer Flüssigkeit oder mit einem neutralen Gas gefüllt werden. Der atmosphärische Druck wirkt als Vergleichsdruck auf den Beutel. Falls eine Flüssigkeit verwendet wird, muß der Beutel unterhalb der Kammer 7 angeordnet werden. Als Gase können beispielsweise Stickstoff und Helium verwendet werden. Ein neutrales Gas unterbricht nach Überflutung der Kammer 7 den Betrieb des Brennstoffelementes nicht, sondern hält in der Kammer nur einen Sicherheitsdruck aufrecht, während die Reaktion und Absorption von Brennstoffgas mit geringerer Geschwindigkeit weiterläuft.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Behälters für den neutralen Stoff gezeigt, bei der als Vergleichsdruck ein über Atmosphärendruck liegender Druck vorgesehen ist. Ein Behälter 36 ist mit einer zylindrischen Innenbohrung 37 versehen, in der gleitend ein Kolben 38 geführt ist. Ein in bekannter Weise am Kolben angebrachter Kolbenring 39 dient zur gas- und flüssigkeitsdichten Abdichtung. Der Kolben 38 übt auf einen gasförmigen oder flüssigen neutralen Stoff 40 einen Vergleichsdruck aus, und das Innere der Bohrung 37 steht mit einem Rohr 41 in Verbindung, das als Zuleitung zur Kammer 7 dient. Oberhalb des Kolbens 38 befindet sich in der Wand des Behälters 36 eine Öffnung 42, so daß der Atmosphärendruck gleichmäßig auf den sich bewegenden Kolben lastet. Durch eine zwischen dem Kolben 38 und der Wand 44 des Behälters angeordneten Druckfeder 43 wird auf den Stoff 40 ein bestimmter, über dem Atmosphärendruck liegender Druck ausgeübt. Auch hier müssen wiederum der Behälter 36 und das Rohr 41 unterhalb der Kammer 7 angeordnet sein. Die Arbeitsweise des Behälters 36 ist ähnlich wie die des in Fig. 2 gezeigten Behälters 33, nur tritt hier die Überflutung bei einem durch die Federkonstante der Feder 43 und durch die Kolbenfläche 38 bestimmten Wert auf. Die Entleerung der Kammer 7 erfolgt nur, wenn der Brennstoffgasdruck größer ist als der Vergleichsdruck. Der Behälter 36 kann so abgeändert werden, daß der Vergleichsdruck einen unter Atmosphärendruck hegenden Wert bekommt. Zu diesem Zweck muß die Öffnung 42 verschlossen werden, wodurch im Oberteil des Behälters ein Unterdruck entsteht, der bei dem gewünschten Vergleichsdruck mit der Feder 43 im Gleichgewicht ist.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines verbesserten Brennstoffelementes gezeigt, in welchem der dehnbare Behälter und der Behälter für den neutralen Stoff in einem ausdehnbaren Behälter 50 zusammengefaßt sind. Das in Fig. 4 gezeigte Brennstoffelement ist ähnlich aufgebaut wie das in Fig. 1 gezeigte Brennstoffelement, und einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Zahlen bezeichnet, aber in Fig. 4 mit dem Index α versehen.

Der Behälter 50 ist ein bekannter ausdehnbarer Balg, der über ein Rohr 51 mit dem Brennstoffgaskanal 6 a in Verbindung steht. Der Behälter 50 ist nur teilweise mit einer neutralen Flüssigkeit 52 gefüllt, so daß der verbleibende Teil als Brennstoffgas-

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speicher dienen kann. Die Kammer la ist durch die mit einem Speicherraum 67 versehen. Die Rohr-Leitung 6 a und über eine mit einem Rückschlagventil leitungen 63 und 64 werden vorzugsweise mit der 19 a, das nur in Richtung des eingezeichneten Pfeiles Flüssigkeit 65 bis zu einer Höhe gefüllt, bei der sie durchströmt werden kann, versehene Leitung 14 a mit mit den entsprechenden Auslaßleitungen 10 b und 66 dem Generator 12 a verbunden. 5 in Verbindung stehen. Liegt der Flüssigkeitsspiegel

Die eventuell in der Kammer la vorhandene höher, so wird die überschüssige Flüssigkeit durch Flüssigkeit 52 kann über eine Rohrleitung 53 in den die Auslaßleitungen abgelassen. Die Sauerstoffgas-Behälter 50 abgelassen werden. Die Rohrleitung 53 zuleitung 8 b ist mit einem bekannten Rückschlagmündet in den Behälter 50 an einer Stelle, die senk- ventil 68 versehen, das nur in Richtung des Pfeiles recht unterhalb des Rohres 51 und unterhalb der io durchströmt werden kann und ein Entweichen der Oberfläche der Flüssigkeit 52 hegt. Die Rohrleitung Flüssigkeit 65 verhindert.

53 ist mit einem Rückschlagventil 54 versehen, das Ist zwischen den Kammern 7 b und 9 b ein Druck-

nur in Richtung des eingezeichneten Teiles durch- unterschied vorhanden, der entweder auf einen Unterströmt werden kann und das bei normaler Arbeits- schied der in den Gaszuleitungen herrschenden weise, d. h. wenn der Behälter 50 durch den Brenn- 15 Drücke oder auf die Erschöpfung einer ReaktionsstofEgasdruck ausgedehnt ist, verhindert, daß die gasquelle zurückzuführen ist, dann wird die Membran Flüssigkeit 52 in die Kammer 7 a einströmt. Der Be- 60 zur Beseitigung des Druckunterschiedes in die hälter 50 und die Rohrleitung 53 müssen unterhalb entsprechende Richtung verschoben und das unter der Kammer la angeordnet sein, damit die neutrale niedrigerem Druck stehende Gas durch die Flüssig-Flüssigkeit 52 aus der Kammer 7 a ausfließen kann. 20 keit65 zusammengepreßt. Bei gleichmäßigem Gas-Beim Betrieb des Brennstoffelementes wird durch druck stellt sich ein Gleichgewicht ein, wenn der das im Generator 12 a erzeugte Brennstoffgas der Be- Gasdruckunterschied gleich dem durch den Druck halter 50 ausgedehnt und der obere Teil desselben der Membran 60 vermehrten Staudruckunterschied mit Brennstoffgas gefüllt, dessen Druck einen über der Flüssigkeit in den Rohren 63 und 64 ist. Atmosphärendruck liegenden Wert hat. Während 25 Ein mäßiger Druckunterschied zwischen den Kamdesnormalen Betriebes des Brennstoffelementes wird mern Ib und 9 b kann erwünscht sein, damit bedie Flüssigkeit 52 durch den Brennstoffgasdruck in sondere Brennstoffgasquellen und Quellen für das dem durch das Rückschlagventil 54 geschlossenen oxydierende Gas verwendet werden können. Die Behälter 50 zusammengedrückt. Falls jedoch der physikalischen Dimensionen des Systems und die Brennstoffgasdruck infolge des Verbrauches des 30 Federkonstante der Membran 60 werden in ÜberBrennstoffelementes unter Atmosphärendruck ab- einstimmung mit den gewünschten relativen Betriebssinkt, wird der Behälter 50 durch den Atmosphären- drücken der Brennstoffgasquelle und der Quelle für druck zusammengedrückt und die Flüssigkeit 52 das oxydierende Gas so gewählt, daß bei dem gedurch das Rohr 51 und die Leitung 6 a in die Kam- wünschten Betriebsdruckunterschied die Flüssigkeitsmer7a gepreßt. Das in der Kammer noch vorhan- 35 Verdrängung nicht zur Überflutung einer der beiden dene Brennstoffgas strömt in die Leitung 6 a und wird Kammern ausreicht. Falls jedoch eine der beiden auf Atmosphärendruck zusammengepreßt, bis die Gasquellen aufgebraucht wird und der Druck all-Kammer 7 a überflutet ist und in dem Brennstoff- mählich abnimmt, wird so viel Flüssigkeit verdrängt, element keine Reaktion mehr stattfindet und ein bis die entsprechende Kammer überflutet und mit Gleichgewichtszustand erreicht ist. 40 Flüssigkeit gefüllt ist. Der Betrieb des Brennstoff-

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Er- elemente» ist dann vollständig unterbrochen und der findung, bei der eine neutrale Flüssigkeit dem zwi- Gasdruck nimmt nicht mehr weiter ab. Das Bremischen der Brennstoffgaskammer und der Kammer Stoffelement kann anschließend wieder in ähnlicher für das oxydierende Gas herrschenden Druckunter- Weise in Betrieb gesetzt werden, wie dies an Hand schied ausgesetzt ist. Dabei dient der höhere der 45 von dem in Fig. 1 gezeigten System erläutert wurde, beiden in den Kammern herrschenden Drücke als In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der

Vergleichswert. Das in Fig. 5 gezeigte Brennstoff- Erfindung gezeigt, bei der ein unter Druck stehendes element ist in ähnlicher Weise wie das in Fig. 1 ge- neutrales Gas zur Verhinderung eines zu hohen zeigte Element aufgebaut, und einander entsprechende Reaktionsgasdruckunterschiedes verwendet wird. Der Teile sind mit den gleichen Zahlen bezeichnet, wobei 50 höhere Reaktionsgasdruck wird dabei als Vergleichsjedoch die in Fig. 5 gezeigten Teile mit dem Index b druck verwendet. Das in Fig. 6 gezeigte Brennstoffbezeichnet sind. element ist in ähnlicher Weise wie das in Fig. 1 ge-Diese Ausführungsform ist mit einem Behälter 59 zeigte Brennstoffelement aufgebaut, und einander für eine neutrale Flüssigkeit 65 ausgerüstet, der durch entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugseine dehnbare Membran 60 in zwei Räume 61 und 55 zahlen versehen, wobei jedoch die sich auf Fig. 6 unterteilt ist, die miteinander nur über die Mem- beziehenden Teile mit dem Index c versehen sind, bran 60 in Verbindung stehen. Der Raum 61 ist durch Die Sauerstoffgaszuleitung 8 c ist mit einem bekanneine Rohrleitung 63 mit der Kammer Ib und der ten Rückschlagventil 69 versehen, das nur in Rich-Raum 62 durch eine Rohrleitung 64 mit der Kammer tung des eingezeichneten Pfeiles durchströmt werden b verbunden. Die Räume 61 und 62 sind mit einer 60 kann und das ein Entweichen des neutralen Gases geeigneten neutralen Flüssigkeit 65 gefüllt. Der Be- aus der Kammer 9 c verhindert, hälter 59 und die Rohrleitungen 63 und 64 sind Zum Nachweis des zwischen den Kammern Ic unterhalb der Kammern 7 b und 9 b angeordnet, so und 9 c des Brennstoffelementes herrschenden Druckdaß die Flüssigkeit 65 aus dem Brennstoffelement Unterschiedes dient eine dehnbare Membran 70, die ohne weiteres entfernt werden kann. Zur Abführung 65 in einem Zylinder 71 angeordnet ist und diesen in des in der Kammer 9 b als Reaktionsprodukt des zwei Räume 72 und 73 unterteilt, die miteinander Brennstoffelementes entstehenden Wassers ist der mit nicht in Verbindung stehen, aber bei denen durch die einem Ventil versehene Auslaß 66 der Kammer 9 b Membran eine gegenseitige Druckübertragung ge-

währleistet ist. Der Raum 72 steht mit der Kammer 7 c über die beiden Rohre 74 und 76 und der Raum 73 mit der Kammer 9 c über die Rohre 75 und 77 in Verbindung.

In einem unter Druck stehenden Behälter 78 befindet sich ein geeignetes neutrales Gas. Die Zuführung des neutralen Gases zum Brennstoffelement wird durch ein Verteilungsventil 79 gesteuert, das auf den mit Hilfe der Membran 70 festgestellten Druckunterschied anspricht. Das Ventil 79 besteht aus einem Ventilkörper 80, der in einem zylindrischen Gehäuse 81 sitzt, das an den gegenüberliegenden Enden mit Druckentlastungsöffnungen 82 und 83 versehen ist. Der Behälter 78 ist durch eine Leitung 84 mit dem mittleren Teil des Gehäuses 81 verbunden. Die Rohre 74 und 75 münden in der Nähe der einander gegenüberliegenden Enden in das Gehäuse 81. Der Ventilkörper 80 ist mit einem an der Membran 70 befestigten Schaft 85 und mit vergrößerten Zylinderteilen 86 und 87 versehen, die gleitend im Gehäuse 81 geführt sind und abdichtend an der Gehäusewandung anliegen. Die Teile 86 und 87 haben einen solchen Abstand, daß sie in der gezeigten neutralen Stellung, bei der kein oder nur ein geringer Druckunterschied auf die Membran 70 wirkt, die Mündüngen der Rohre 74 und 75 abdecken. Die Abmessungen des Systems und die Federkonstante der Membran 70 werden so gewählt, daß durch einen normalen innerhalb der Bruchgrenze der Membran Ic liegenden Betriebsdruckunterschied der Ventilkörper 80 nicht so weit bewegt werden kann, daß die Mündung des Rohres 74 oder des Rohres 75 für das neutrale Gas freigegeben wird.

Falls der Reaktionsgasdruck in einer der beiden Kammern 7 c oder 9 c des Brennstoffelementes infolge Verbrauches so absinkt, daß der Druckunterschied auf einen über den durch die Geometrie des Systems bestimmten Grenzwert ansteigt, werden die Membran 70 und der Ventilkörper 80 in eine solche Richtung verschoben, daß die entsprechende Mündung eines der Rohre 74 und 75 freigegeben wird und das entsprechende Rohr über das Gehäuse 81 mit dem Behälter 78 in Verbindung steht. Das neutrale Gas strömt dann in die unter niedrigerem Druck stehende Kammer ein und erhöht den Druck, bis die Membran 70 das Ventil 79 wieder schließt. Auf diese Weise wird der Druckunterschied auf einen gegebenen Betriebswert verringert. Wird das Gas weiter aufgebraucht, so wiederholt sich dieser Vorgang, bis das Reaktionsgas im wesentlichen aufgebraucht ist, das Element nicht mehr arbeitet und ein Gleichgewichtszustand erreicht wird, bei dem ein innerhalb der gegebenen Grenzen liegender Druckunterschied aufrechterhalten wird. Zur Wiederinbetriebnahme des Brennstoffelementes wird die Reaktionsgasquelle wieder aufgefüllt und das Ventil 10c oder lic geöffnet, wodurch das neutrale Gas aus dem Brennstoffelement hinausgedriickt wird.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schutzvorrichtung zur Verhinderung von größeren Gasdruckunterschieden zwischen den beiden Gaskammern eines galvanischen Brennstoffelementes mit einer zwischen zwei Elektroden angeordneten Ionenaustauschermembran als Elektrolyt, wobei die Elektroden an der Ionenaustauschermembran anliegen und jede Elektrode jeweils eine Wand einer mit Brennstoffgas bzw. mit oxydierendem Gas gefüllten Kammer bildet, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Vergleichsdruck ansprechende Mittel vorhanden sind, die aus einem Behälter (21, 50) bestehen, der über eine Rohrleitung (27, 30, 53) mit wenigstens einer der beiden Kammern (7, la, 9, 9 a) in Verbindung steht und mit deren Hilfe die eine oder andere Kammer mit einem neutralen Stoff gefüllt werden kann, wenn der Reaktionsgasdruck in der einen oder anderen Kammer auf einen unterhalb des Vergleichsdruckes liegenden Wert absinkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (21, 50) und die Rohrleitung in geringerer Höhe als die beiden Kammern (7, Ta, 9, 9a) angeordnet ist und der Behälter eine neutrale Flüssigkeit enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (50) dehnbar ist und dem als Vergleichsdruck dienenden Außendruck ausgesetzt ist, wobei der Behälter außer einer neutralen Flüssigkeit noch eines der Reaktionsgase enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rohrleitung ein Rückschlagventil (28, 54) vorgesehen ist, welches die Strömungsrichtung des flüssigen neutralen Stoffes auf die vom Behälter (21, 50) zur Kammer (7, la) verlaufende Richtung beschränkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (21) ein unter Druck stehendes neutrales Gas enthält und ein Ventil (29) vorgesehen ist, welches auf den als Vergleichsdruck dienenden in der einen Kammer herrschenden Überdruck anspricht und den Behälter (21) mit der Rohrleitung (27, 30) verbindet, wenn der Druck in einer der beiden Kammern (7, 9) bedeutend geringer wird als der Vergleichsdruck.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (59) mit Mitteln (60) versehen ist, welche zwei gas- und flüssigkeitsdicht abgeschlossene, druckübertragende und ausdehnbare Räume (61, 62) bilden, von denen jeder über eine Rohrleitung (63, 64) mit einer Kammer (Ib, 9 b) verbunden ist und eine neutrale Flüssigkeit enthält, die dem als Vergleichsdruck dienenden Überdruck des einen Reaktionsgases in der Kammer ausgesetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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