DE2050916C3

DE2050916C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Speisen einer Brennstoffbatterie mit reaktivem Gas

Info

Publication number: DE2050916C3
Application number: DE2050916A
Authority: DE
Inventors: Jacques Versailles Cheron
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1969-10-16
Filing date: 1970-10-16
Publication date: 1982-02-25
Also published as: GB1276237A; FR2085154A1; BE757364A; DE2050916B2; FR2085154B1; DE2050916A1; JPS513373B1; NL7015100A; CA944816A

Description

^ Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speisen einer Brennstoffbatterie mit einem reaktiven Gas, Wobei man das Gas entsprechend einer geschlossenen Schleife, in die man die Brennstoffbatterie legt, in Zirkulation versetzt und kontinuierlich zusätzliches frisches Gas in diese Schleife einführt und dabei kontinuierlich eine Fraktion des resultierenden aus der Batterie austretenden Gases abführt. Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Gegenstand.

Solche Verfahren sind in der DE-OS 14 96 300 beschrieben. Hiernach erfolgt die Speisung mit dem reaktiven Produkt in der Ringschleife. Man füiirt eine

ίο Menge an reaktivem reinem Fluid ein, die gleich der in der Zelle verbrauchten ist; Einrichtungen sind vorgesehen, die nur dann betätigt werden, wenn periodisch die Leitungen gereinigt werden sollen.
Auch ist es bekannt (aus US-PS 3160 528), die Luftmenge, die jede Zelle durchströmt, als Funktion des elektrischen von der Zelle erzeugten Stroms zu steuern.

Eine Kreislaufrückführung einer Fraktion des die Zelle durchströmt habenden Fluids ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Durchsatz am Eintritt in die Zelle auf einem relativ großen konstanten Wert zu halten. Die Temperatur des Gases soll nur gering variabel und unabhängig von der Stärke des von der Zelle abgegebenen elektrischen Stroms sein, damit die Elektroden in Zuständen gehalten werden, die ihren optimalen elektrochemischen Betriebszuständen, unabhängig von den Änderungen der gelieferten Leistung, möglichst nahekommen. Beaufschlagt man die Brennstoffbatterie mit einer im wesentlichen konstanten erhöhten Menge sauerstoffhaltigen Gases gleichförmiger Temperatur, so hat dies den Nachteil zur Folge, daß eine erhebliche Luftmenge einer Behandlung, insbesondere der Dekarbonisierungsbehandlung ausgesetzt würde, und zwar selbst bei geringen Durchsätzen, beispielsweise im Leerlauf, während die für den Betrieb der Brennstoffbatterie notwendige Menge an Sauerstoff nur sehr gering wäre.

was wieder zu einem übermäßigen Verbrauch an Dekarbonisierungsreaktionsmitte! führen würde.

Überraschend kann man dieses Problem dadurch lösen, daß der Wert des die Brennstoffbatterie durchströmenden sauerstoffhaltigen Gases im wesentlichen konstant, unabhängig von der Stärke des gelieferten elektrischen Stroms, gehalten wird und daß eine Doppelsteuerung des Durchsatzes an zusätzlichem

4> frischen Gas und des Durchsatzes an abgezogenem Gas auf den Wert eines elektrischen Signals vorgenommen wird, das eine Funktion der Stärke des von der Brennstoffbatterie abgegebenen Stroms ist. Vorzugsweise wird eine Fraktion des aus der Brennstoffbatterie

in austretenden Durchsatzes vor oder nach der Stelle der Einführung des frischen Zusatzgases abgezogen.

Bei einer besonders zweckmäßigen Vorrichtung zum Speisen einer Brennstoffbatterie in der oben angegebenen Weise sind ein Motor und Stelleinrichtungen

■ji vorgesehen, die gleichzeitig Gaszufuhr und Gasabfuhr abhängig von einem Differenzsignal eines Komparator steuern.

Hierdurch kann die in Kontakt mit den F.lektroden strömende Menge sauerstoffhaltigen Gases relativ hoch, im wesentlichen konstant, auch bei geringen Einführungsmengen, beispielsweise von dekarbonisier· ter Luft sein.

Der Hygrometriegrad des rezirkulierten sauerstoff' haltigen Gases stellt sich selbsttätig auf einen Wert ein, der nicht allein vom Feuchligkeitsgrad des in den Kreis eingeführten sauerstoffhaltigen Gases abhängt.

Das in Zirkulation durch das Fluid mitgerissene Wasser kann in einem Kondensator wiedergewonnen

werden, der entweder an der durch die Rückführungsleitung gebildeten Schleife oder an der Abzugsleitung angeordnet ist.

Aufgrund der Doppelsteuerung ist die Sauerstoffkonzentration in dem die Brennstoffbatterie speisenden Gas unabhängig von der in Zirkulation gesetzten Gasmenge.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläuten werden. Diese zeigt in

F i g. 1 eine schematische Darstellung und in

F i g. 2 schematisch die erreichte Doppelsteuerung.

Die betrachtete Ausführungsform ist anwendbar auf die Speisung einer Brennstoffbatterie 1 mit Luft

Die Vorrichtung umfaßt eine Zirkulationsleitung 3 für die Luft in geschlossener Schleife, wobei die Luft in die Zelle bei 4 ein- und bei 5 austritt Die Zirkulation erfolgt mit Hilfe der Pumpe 6. Eine Frischluftergänzung (Zusatz) entsprechend der in der Zelle verbrauchten Sauerstoffmenge wird bei 7 eingeführt und in die Brennstoffzelle über die Pumpe 8 unter Zwischenschaltung der Leitung 9 nach Durchgang in einer Dekarbonisiervorrichtung 10 gefördert.

Ein Bruchteil dieser aus der Brennstoffzelle austretenden Luftmenge wird über die Leitung 11 abgeführt.

Ein Kondensator 12 ermöglicht die Wiedergewinnung des von der Luft vor deren Austrag in die Atmosphäre mitgerissenen Wassermenge.

Regeldrosselklappen 3a und 9a. die von einem Doppelsteuerungssystem aus betätigt werden, wie beispielsweise in F i g. 2 dargestellt, regeln jeweils die in den Kreis eingeführte Frischluftmenge und die aus der Zelle austretende über die Leitung 11 abgeführte Gasmenge.

Die Steuerung des Öffnungsgrades der Drosselklappen 3a und 9a als Funktion der Stärke des von der Brennstoffzelle abgegebenen Stroms kann, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, durchgeführt werden, indem die elektrische Spannung an den Klemmen dieser Zelle über Leiter i3 und 14 abgegriffen wird, die an ein erstes Paar von Eingangsklemmen eines Komparators 21 gelegt sind, wobei diese Spannung im wesentlichen proportional der Stromstärke des von der Zelle in den Lastkreis 2 gelieferten Stroms ist. Der Ausgleich dieser Spannung wird durch eine Potentiometerschaltung herbeigeführt, die. z.B. wie sche>r:atisch in Fig. 2 dargestellt, eine Speisung mit konstanter Spannung E umfaßt, deren Klemmen jeweils über die Leiter !5 und 16 mit denen des Potentiometers 17 verbunden sind.

Eine der Klemmen dieses Potentiometers sowie der Schieber 18 sind über die Leiter 19 und 20 jeweils mit einem zweiten Paar von Eingangsklemmen des Komparators 21 verbunden.

Stellt sich eine Differenz zwischen den an den Komparator 21 gelegten Spannungen ein. so wird ein Abweichungssignal durch diesen Komparator in Form einer elektrischen Spannung erzeugt, die zwischen den Leitern 22 und 23 auftritt und deren Polarität eine Funktion des Vorzeichens der Differenz der beiden an den Komparator 21 gelegten Spannungen ist.

Die Leiter 22 und 23 sind mit einem Relais 24 Verbunden, das die Speisung eines kleinen Servomotors M ausgehend von der Stromquelle e über den einen dder anderen der Leiter 25 Und 26 steuert, jeweils entsprechend den beiden Drehrichlungen des Motors M nach der Polarität des Ausgangssignals des Komparatöfs 21. Wird dieses Signal zu Null, So wird die elektrische Speisung des Motors unterbrochen.

Der Schieber 18 des Potentiometers wird in Drehung durch den Motor M mitgenommen und verschiebt sich so als Funktion der von der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffelement 1 gelieferten Leistung.
Die Welle 27 des Motors steuert die gleichzeitige Drehung der Drosselklappen 3a und 9a über das Zahnrad 28 und die Schnecke 29, welche durch Stangen 30 und 31 verlängert ist. Letztere sind gelenkig an ihren Enden an Hebeln 32 und 33 zur Steuerung der

ι» Drosselklappen 3a und 9a gelagert, was also eine Zuordnung der Winkelstellung der Klappen zur Stromstärke des von der Brennstoffzelle gelieferten elektrischen Stroms bzw. eine Steuerung derselben sichert.

li Eine Vorrichtung, die beispielsweise durch Ausführung der Stange 30 in zwei gesonderten Teilen gebildet wird, welche sich durch Einschrauben in die Enden einer mit Innengewinde versehenen Muffe 34 verbinden lassen, ermöglicht gegebenenfalls die Verstellung der

I¹O Phasenverschiebung zwischen der Winkelstellungen der Klappen 3a und 9a durch eint<<rhe Drehung der Muffe mittels eines geeigneten Schlüssels.

Es ist selbstverständlich im Rahmen der Erfindung möglich, den Wert der an den Komparator 21 gc'egten elektrischen Spannung durch irgendeine elektronische geeignete Anordnung zu korrigieren, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß die an den Klemmen der Zelle abgegriffene Spannung nicht unbedingt proportional zur Stromstärke des von der Brennstoffzelle gelieferten

κι elektrischen Stroms ist.

Man kann auch die Steuerung durch die Spannung, die an den Klemmen eines mit der Zelle in Reihe geschalteten Nebenschlußkreises erzeugt wird, vornehmen. In diesem Fall ist die SKuerspannung unbedingt proportional der Stromstärke des von der Zelle gelieferten St'oms.

Die folgenden Untersuchungen sollen die möglichen Ausführungsformen der Erfindung erläutern ohne sie zu begrenzen.

w Mit q] sei die Zusatzmenge an Frischluft, die bei 7 in de¹ Kreis eintritt, mit qi die über die Leitung 11 abgezogene Gasmenge, mit φ die Menge des in der Zelle verbrauchten Gases und mit <j₄ und q·, die jeweiligen in die Zelle ein- und aus dieser austretenden

■r, Gasmengen bezeichnet, wobei diese Mengen in Volumen pro Zeiteinheit ausgedrückt sind. Mit G, G, Gi. G₄ und G-, sind die jeweiligen Volumenkonzentrationen an Sauerstoff im Gas an den entsprechenden Stellen des Kreises bezeichnet (es ergibt sich G = 0,2

so und d= 1, da das bei 7 eintretende Gas Luft und das in der Zelle verbrauchte Gas Sauerstoff ist).

Im übrigen wird mit q* die Menge im Kreis kurz vor dem Pinlaßpunkt des frischen Ergänzungsgases, hinter der Stelle, wo ein Teil des aus der Brennstoffzelle

v, austretenden (J3^c-?s (Menge (72) abgcrngen wird, bezeichnet.

Es ergeben sich die folgenden Mengenbeziehungen:

qx = q< + qi

ho <7s = ^ + q-

<74 = q\ + <7e

<74 = qi + qs

Da die Mengen q\ und qi gleichzeitig, derart, daß sie in gleichem Sinne vari/eren, durch das Steuergestänge der Drosselklappen 3a und 9a geregelt werden, sieht man, daß dann, wenn der Sauerstoffverbrauch ςτ₃ in der Zelle gering ist, die Mengen φ und q₂ ebenfalls gering werden

(erhöhter Rezyklierungsgrad), während der Rezyklierungsgrad der Zelle gering wird, wenn der Verbrauch der Zelle hochliegt. Es ergeben sich somit die folgenden Beziehungen hinsichtlich der Sauersioffmenge:

φ G = <7i Q + qi Ci
<74 G = q\ G + qe C₂

Hieraus folgt

C«

Q\

- <7j C ₁

Qi

0,2 ffi - Qi

Die Sauerstoffkonzentration im Kreis hinter der Brennstoffzelle hängt also nur von den Eintritts- Und Austrittsmengen und von der verbrauchten Sauerstoffrhehge ab, sie hängt nicht von der Rezyklierungsmerage ab.

Wünscht man beispielsweise, daß die Konzentration C₂ konstant ist, so zeigt die obenstehende Formel, daß dieses Ergebnis erreicht wird, indem das Verhältnis der Mengen

Qi

konstant gehalten wird:

A- =

kq₂

1 -C₁

0.8

20

25

Dies wird also erfindungsgemäß erreicht.
Im übrigen gilt:

30

C₄ =

C₂ + q_x C₁

Der Sauerstoffgehalt in der Schleife beim Eintritt in die Zelle ist also eine Funktion der Menge des rezyklierten Gases.

Beim oben beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß das Abziehen eines Bruchteils der Menge an aus der Zelle austretendem Fluid vor der Stelie vorgenommen wurde, wo frisches Ergänzungsgas eingeführt wurde. Eine solche Anordnung erscheint am vorteilhaftesten, darf jedoch auf keinen Fall als absolut begrenzend angesehen werden, da dieses Abziehen eines Bruchteils der in der Rezyklierungsleitung strömenden Gasmenge auch hinter der Stelle vorgenommen werden kann, wo das frische Ergänzungsgas eingeführt wird.

Im folgenden soll dargelegt werden, was aus den Beziehungen für die Menge und die Sauerstoffmenge in einem solchen Fall wird, wenn man weiter mit q\ die Menge für die Zuführung frischen Gases, mit q₂ die Menge abgeführten Gases, mit qi die Menge verbrauchten Gases, mit 174 und qs die jeweiligen Eintritts- und Austrittsmengen der Zelle bezeichnet. Mit Ci, C₂, C₃, G und Cs werden die Sauerstoffvolumenkonzentraiionen an den entsprechenden Stellen des Kreises bezeichnet; Q bezeichnet so die Volumenkonzentration an Sauerstoff des Gases bei Austritt aus der Zelle.

Es ergeben sich die folgenden Mengenbeziehungen.

q*

+ Φ
+ qi

Und die Beziehungen für die Sauerstoffmengen
Q\ Ci — Q3 Ci 4- Q2 d

Q4 O = Qz Cj + Qs C5

C₄ -

- q₃ C,

Qi

35 Die Sauerstoffkonzentration G im Kreis vor der Zelle hängt also nur von den Eintritts- und Austrittsmengen und von der verbrauchten Sauerstoffmenge ab; sie hängt nicht von der Rezyklierungsmenge ab.

Im übrigen gilt:

_c ₌ Qa C₄ - q_} C)
⁵

Der Sauerstoffgehalt im Kreis bzw. in der Schleife am Austritt aus dem Brennstoffelement bzw. aus der Brennstoffzelle ist also eine Funktion der rezyklierten Gasmenge.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Speisen einer Brennstoffbatterie mit einem reaktiven Gas, wobei das Gas entsprechend einer geschlossenen Schleife, in der man die Brennstoffbatterie legt, in Zirkulation versetzt und kontinuierlich zusätzliches frisches Gas in diese Schleife einführt und dabei kontinuierlich eine Fraktion des resultierenden aus der Batterie austretenden Gases abführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des die Brennstoffbatterie durchströmenden sauerstoffhaltigen Gases im wesentlichen konstant, unabhängig von der Stärke des gelieferten elektrischen Stroms, gehalten wird und daß eine Doppelsteuerung des Durchsatzes an zusätzlichem frischen Gas und des Durchsatzes an abgezogenem Gas auf den Wert eines elektrischen Signals vorgenommen wird, das eine Funktion der Stärke des von der Brennstoffbatterie abgegebenen Stroms ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fraktion des aus der Brennstoffbatterie austretenden Durchsatzes vor oder nach der Stelle der Einführung des frischen Zusatzgases abgezogen wird.

3. Vorrichtung zum Speisen einer Brennstoffbatterie mit einem reaktiven sauerstoffhaltigen Gas, mit einer Rezirkulationsleitung, deren beide Enden jeweils mit der Gasspeiseleitung und mit der Gasaustrittsl'^:tung verbunden sind, wobei die Gaseinleiteinrichtungen eine Rege'?inrichtung für das eingeleitete Gas sowie eine Einrichtung zum Abziehen eines Bruchtei.'s d^r aus der Zelle austretenden Gasmenge aufweist, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichnet durch einen Servomotor (M) und Stelleinrichtungen (28; 29), die gleichzeitig Gaszufuhr und Gasabfuhr (bei 9a. 3a) abhängig von einem Differenzsignal eines !Comparators (21) steuern.

4. Vorrichtung zum Speisen einer Brennstoffbatterie nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein" Potentiometerschaltung zur Speisung mit konstanter Spannung (E), wobei die Anschlüsse der Spannungsquelle (E) jeweils über Leitungen (i5 und 16) mit denen des Potentiometers (17) verbunden sind, wobei einer der Anschlüsse des Potentiometers towie der Schieber (18) über Leitungen (19 und 20) jeweils mit einem zweiten Paar von Eingängen des (Comparators (21) verbunden sind, während das erste Paar von Eingängen des !Comparators (21) mit den Klemmen der Brennstoffbatterie verbunden ist.

5. Vorrichtung zum Speisen einer Brennstoffbatterie nach einem der Ansprüche 3 und 4, gekennzeichnet durch ein die Drehrichtung des Servomotors (M) iteuerndes Relais (24), das seinerseits vom Differenzsignal des Komparatorausgangs (22, 23) geiteuert ist.