DE2836464A1 - H tief 2/o tief 2-brennstoffbatterie - Google Patents

H tief 2/o tief 2-brennstoffbatterie

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Description

AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 7 5 3 3 BRD
Hg/Op-Brennstoffbatterie
Die Erfindung betrifft eine Hg/Og-Brennstoffbatterie mit einer Arbeitsleitung für Wasserstoff (Hg-Arbeitsleitung), einer Arbeitsleitung für Sauerstoff (Og-Arbeitsleitung), einem Membranventil in der Hg-Arbeitsleitung (Hg-Membranventil), einem Membranventil in der Op-Arbeitsleitung (Og-Membranventil), einer Steuerleitung für das Hg-Membranventil (Hg-Steuerleitung), einer Steuerleitung für das O2-Membranventil (02-Steuerleitung) und einem Ein- bzw. Ausschaltventil für Wasserstoff in der Hg-Steuerleitung (Hg-Steuerventil).
Eine Brennstoffbatterie bzw. ein Brennstoffzellenaggregat zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umsetzung von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten, das die vorstehend genannten Merkmale aufweist, ist aus der DE-PS 21 29 134 bekannt. Bei diesem Brennstoffzellenaggregat sind in den Zuführungsleitungen für die gasförmigen Reaktanten, den Arbeitsleitungen,
Membranventile angeordnet. Ferner ist eine Steuorleitung
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mit einem pneumatisehen Ventil und einem Reduzierventil zur Zuführung eines der gasförmigen Reaktanten von der entsprechenden Arbeitsleitung zu einem Elektrolytregenerator vorgesehen. In dieser Steuerleitung ist - zwischen dem pneumatischen Ventil und dem Reduzierventil - ein Magnetventil angeordnet, das auf eine untere Grsnzspannung^ der Brennstoffbatterie anspricht. Die beiden Membranventile in den Arbeitsleitungen sind an dieses Magnetventil angeschlossen, d.h. es sind Steuerleitungen für die Membranventile vorhanden.
Bei der Inbetriebnahme von Hg/C^-Brennstoffzellenaggregaten wird wegen der Gefahr der oxidativen Schädigung der Wasserstoffelektroden bzw. -katalysatoren angestrebt, der Brennstoffbatterie zuerst den gasförmigen Brennstoff und dann das gasförmige Oxidationsmittel zuzuführen. Bei dem bekannten Aggregat kann deshalb dem Membranventil für das Oxidationsmittel - in der zugehörigen Steuerleitung - eine Drossel vorgeschaltet sein.
Dadurch soll dieses Membranventil später geöffnet werden als das Membranventil für den Brennstoff, womit der angestrebte Zweck erreicht wird.
Die Regelung der Gaszufuhr mittels einer Drosseldüse ist in der Praxis jedoch schwer zu realisieren, darüber hinaus kann dabei eine ordnungsgemäße Funktion nicht mit Sicherheit gewährleistet werden. Das Volumen der Steuerleitung von der Drosseldüse bis zum 02-Membranventil, einschließlich des Membranraumes, ist nämlich relativ klein und deshalb wird - durch das einströmende Hp-Steuergas - der öffnungsdruck des 02-Membranventils sehr schnell erreicht. Wird nun bezüglich des Öffnungszeitpunktes von Hp- und Og-Membranventil ein merklicher Unterschied angestrebt, dann darf der Durchmesser der Drosseldüse lediglich etwa 0,03 bis 0,1 mm betragen, je
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nach der geforderten Verzögerungszeit. Derartige Düsen sind jedoch nicht nur schwer reproduzierbar herzustellen, sondern sie erfordern auch die Verwendung eines gefilterten Gases, weil sie sonst sehr leicht verstopfen. Die bekannte Anordnung hat ferner den Nachteil, daß Sauerstoff auch dann in die Batterie strömer würde, wenn - im Defektfall - sich das H^-Membranventil nicht öffnet. Gerade dies soll aber, wie vorstehend erläutert wurde, vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hp/Og-Brennstoffbatterie der eingangs genannten Art - mit Arbeitsleitungen, Membranventilen und Steuerleitungen für die Reaktionsgase - derart auszugestalten, daß mit Sicherheit gewährleistet ist, daß der in der Batterie anstehende Wasserstoffdruck stets höher ist als der Sauerstoffdruck. Dies bedeutet, daß bei der Inbetriebnahme der Brennstoff vor dem Oxidationsmittel in die Batterie einströmen muß und auch zuerst den Nenndruck erreicht und daß beim Ausschalten der Batterie der Wasserstoff langer in die Batterie einströmt als der Sauerstoff.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß
- die Op-Steuerleitung an die Hp-Arbeitsleitung ange-
schlossen ist, wobei sie zwischen dem Hg-Membranventil und dem Batterieeingang in die Hg-Arbeitsleitung mündet,
- in der Op-Steuerleitung ein Ein- bzw. Ausschaltventil für Sauerstoff (Op-Steuerventil) angeordnet ist und - der öffnungsdruck des 02-Membranventils größer ist ale derjenige des H2-Membranventils.
Unter "Brennstoffbatterie" sollen im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung nicht nur einzelne, aus einer Reihe von Brennstoffelementen bestehende Batterien;,
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sondern auch Brennstoffzellenaggregate und vollständige -anlagen verstanden werden. Mit dem Begriff "Wasserstoff" (Hp) wird nicht nur reiner Wasserstoff bezeichnet, sondern darunter sind auch wasserstoffhaltig Gemische zu verstehen, die sich zum Betrieb von Brennstoffelementen eignen, wie Hp/CO- und Hp/COp-Gemische. Entsprechend bedeutet "Sauerstoff" (Op) nicht nur reinen Sauerstoff, sondern auch sauerstoffhaltige iJase, insbesondere Luft.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie strömt der Wasserstoff stets vor dem Sauerstoff in die Batterie ein. Der Druckanstieg des Wasserstoffs eilt dabsi gegenüber demjenigen des Sauerstoffs um einen gewissen Betrag voraus, bis jeweils der Nenndruck erreicht ist. So beträgt beispielsweise der Nenndruck des Wasserstoffes 2 bar und der Nenndruck des Sauerstoffes 1,95 bar. Das höhere Druckniveau des Wasserstoffes gegenüber dem Sauerstoff während der Einschaltphase wird dabei dadurch erreicht, daß die Op-Steuerleitung hinter dem H2-Membranventil in die Hp-Arbeitsleitung mündet, d.h. unmittelbar vor deren Eintritt in die Batterie. Auf diese Weise wird zusammen mit dem höheren öffnungsdruck des Og-Membranventils gewährleistet, daß sich zuerst die Wasserstoffräume der Batterie bis zum öffnungsdruck des Og-Membranventils mit Brennstoff füllen, eh® das Oxidationsmittel in die Sauerstoffräume einströmen kann.
Die erfindungsgemäße Brennstoffbatterie hat den weiteren Vorteil, daß verhindert wird, daß während des Betriebes der Wasserstoffdruck unter einen bestimmten Wert absinkt9 ohne daß die Batterie abgeschaltet wird. Bei einem Druckabfall d@s Wasserstoffes bis auf den Schließdruck des Og-Msmbranventils unterbricht dieses Ventil nämlich den Sauerstoffzufluß zur Batterie und dies© wird abgeschal-
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tet. Es wird damit auch kein besonderes Überwachungselement, beispielsweise ein Druckwächter, für die H2-Drucküberwachung benötigt, das - bei einem Druckabfall des Wasserstoffs - über das Op-Steuerventil das Hp-Steuergas abschalten und durch Entlüftung auf den Schließdruck des Og-Membranventils absenken müßie.
Das Og-Steuerventil gewährleistet bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie schließlich noch, daß beim Abschalten der Batterie Wasserstoff länger in die Batterie einströmt als Sauerstoff. Beim Abschalten des Og-Steuerventils wird nämlich das (^-Membranventil entlüftet und damit geschlossen. Dadurch wird die Zufuhr von Sauerstoff zur Batterie unterbunden, während weiterhin Wasserstoff in die Batterie strömen kann.
Im Vergleich zur bekannten Batterie hat die erfindungsgemäße Brennstoffbatterie den Vorteil, daß ausschließlich normale Leitungsquerschnitte erforderlich sind; die mit kleinen Drosseldüsen verbundenen Probleme entfallen somit. Außerdem ist hierbei mit Sicherheit gewährleistet, daß bei der Inbetriebnahme die Wasserstoffräume vor den Sauerstoffräumen gefüllt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen H2/02-Brennstoffbatterie sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Fi(5ur, in der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie dargestellt ist, soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Die in der Figur lediglich schematisch dargestellte H2/02-Brennstoffbatterie 10 weist beispielsweise einen
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Aufbau entsprechend, der aus der DE-PS 21 29 134 bekannten Batterie auf. Die Batterie 10 enthält beispielsweise 70 Brennstoffelemente, die von den Reaktionsgasen kaskadenförmig durchströmt werden. Die einzelnen Kaskaden weisen dabei beispielsweise - in dieser Reihenfolge folgende Zellenzahl auf: 22, 16, 11, 8, 6, 4, 2 und. 1; in der Figur Ist die Reaktionsgasführung innerhalb der Batterie allerdings nur vereinfacht dargestellt
Der Brennstoffbatterie 10 werden die beiden Reaktionsgase, Wasserstoff und Sauerstoff, durch Arbeits:.eitungen 11 bzw. 12 zugeführt. In der Hp-Arbeitsleitung 11 ist ein Hp-Membranventil 13 angeordnet und in der 0,,-Arbeits leitung 12 ein Op-Membranventil 14. Die beiden Membranventile 13 und 14 werden pneumatisch betätigt. In einer Hp-Steuerleitung 15, die das Hp-Membranventil 1.'5 mit einer - strömungsmäßig - davor liegenden Stelle der H2-Arbeitsleitung 11 verbindet , ist ein ^-Steuerventil 16 angeordnet. Eine Op-Steuerleitung 17, in der ein Ein- bzw. Ausschaltventil 13 für Sauerstoff, d.h. ein Op-Steuerventil, angeordnet ist, verbindet das O^-Membranventil 14 mit der Hp-Arbeitsleitung 11. Die Op-oteuerleitung 17 mündet dabei an einer Stelle zwischen dem Hp-Membranventil 13 und dem Batterieeingang in die Hp-Arbeitsleitu^ng 11, d.h. strömungsmäßig hinter dem Hp-Membranventil und vor dem Eintritt der Hp-Arbeitsleitung in die Batterie. Als Steuerventile 16 und 18 werden 3-Wege-Elektromagnetventile verwendet; sie weisen im allgemeinen eine Handbetätigung auf. Vorzugsweise werden als Steuerventile Elektromagnetventile der in der deutschen Patentanmeldung Akt.Z. P 27 36 032.3 vorgeschlagenen Art verwendet.
Im Bereich zwischen dem Op-Steuerventil 18 und ler Mündung in die Hp-Arbeitsleitung 11 is': an die ^-Steuer-OS 0 0 0 9 / 04 7 3
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leitung 17 eine Druckleitung 19 angeschlossen, die die O^-Steuerleitung mit einem Elektrolytregenerator 20 verbindet; der Elektrolytregenerator in Form eines sogenannten Spaltverdampfers kann einen Aufbau aufweisen, wie er aus dsr DE-PS 21 29 134 bekannt ist. In eier Druckleitung 19 ist ein Reduzierventil 21 angeordnet.
Durch eine Leitung 22 wird eine Verbindung zwischen den Arbeitsleitungen 11 und 12 hergestellt. Die Leitung 22 verbindet dabei eine Stelle der Og-Arbeitsleitung, die strömungsmäßig vor der Batterie liegt, d.h. zwischen dem Og-Membranventil 14 und dem Batterieeingang, mi" einer Stelle der Hg-Arbeitsleitung, die strömungsmäßig hinter der Batterie liegt, d.h. am Batterieausgang. In der Verbindungsleitung 22 sind zwei Ventile 23 und 24 vorgesehen; eingesetzt werden dabei insbesondere 2-Wege-Elektromagnstventile. Am Batterieausgang sind in den Arbeitsleitungen 11 und 12 schließlich noch sogenannte Spülventile 25 bzw. 26 vorhanden; das Spülventil 25 in der HLj-Arbeitsleitung ist dabei strömungsmäßig hinter der Mündung der Verbindungsleitung 22 angeordnet. Als Spülventile werden 2-Wege-Elektromagnetventile verwendet, von denen insbesondere das Spülventil 26 in der 02-Arbeitsleitung eine Handbetätigung aufweist.
Bei der Inbetriebnahme der Batterie werden Wasserstoff und Sauerstoff, beispielsweise jeweils über ein Handventil, auf die Arbeitsleitungen gegeben. Der Wasserstoff steht dann an den geschlossenen Hg-Ventilen 13 und 16 an, der Sauerstoff am geschlossenen 02-Membranventil 14. Durch eine mechanisch gekoppelte Handbetätigung werden die beiden Steuerventile 16 und 18 gleichzeitig geöffnet. Über das ^-Steuerventil 16 strömt dann Wasserstoff auf die Membran des ^,,-Membranventil s
13. Bei einem Oberdruck von etwa 0,5 bar öffnet dieses
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Ventil und gibt dem Wasserstoff den Weg in die Batterie und in die Op-Steuerleitung frei. Damit steigt sowohl der Druck in dan Wasserstoffräumen der Batterie als auch in der O2-Steuerleitung.
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Der sich in der Op-Steuerleitung 17 über das offene Op-Steuerventil 13 aufbauende H2-Steuerdruck bewir.it bei einem Überdruck von ca. 0,7 bar ein öffnen des 02-Membranventils 14. Daraufhin strömt Sauerstoff - gsgenüber dem Wasserstoff zeitlich verzögert - in die Bre:.instoff~ batterie ein, d.h. in die Sauerstoffräume. Infolgedessen baut sich eine Battariespannung aufp die dann auch das Offenhalten der beiden Steuerventile 16 und übernimmt, da deren Spulen von der Batteriespannung gespeist werden. Die Handbetätigung der beiden Steuerventile kann nun gelöst werden.
Der Ausschaltvorgang spielt sich folgendermaßen ab. Durch einen elektrischen Unterbrecher des Ausschalters bzw. durch das Ansprechen einer ÜberwachungsfunLction wird der Stromkreis des Op-Steuerventils 18 untarbrochen. Daraufhin schließt dieses Ventil und geht in dis Entlüftungsstellung für die Membran des 02-Membranventils 14 über. Bei einem Überdruck von ca. 0,6 bar schließt das Ventil 14, womit der Zustrom von Sauerstoff zur Batterie unterbunden wird. Bei anstehender elektrischer Last wird dann der in den Sauerstoffräumen der Batterie noch vorhandene Sauerstoff - mittels des nach wie vor in die Batterie strömenden Wasserstoffes - verbraucht.
Bei abnehmender Sauerstoffmenge sinkt dann auch die Batteriespannung, bis sie, beispielsweise bei einem Wert von ca. 2 V, die Schließspannung des Hp-Steuerventils erreicht. Erst zu diesem Zeitpunkt schließt dann das Ventil 16, entlüftet den Membranraum des H2-Memoranventile und löst dessen Schließvorgang aus.
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Bei einem Druckabfall in der H2-Arbeitsleitung wird die H„~Drucküberwachung durch die vorstehend erläuterte Anordnung in der Weise übernommen, daß der absinkende Wasserstoff druck in der E^-Arbeitsleitung und di?r Hp-Steuerleitung bei einem Überdruck von ca. 0,6 bar das Schließen des 0,,-Membranventils bewirkt, womit die Sauerstoffzufuhr zur Batterie unterbrochen wird. Dabi5i kommt der höhere Schließdruck des Op-Membranventils im Vergleich zu demjenigen des H2-Membranventils der Forderung entgegen, daß beim Abschalten der Batterie bzw. bei der Drucküberwachung der Wasserstoff möglichst lange in der Batterie anstehen soll.
Die beiden Ventile 23 und 24 in der Verbindungsleitung 22 zwischen der H0- und der 0«·-Arbeitsleitung sind sowohl im Ruhe-- als auch im Betriebszustand, geschlossen. Beim Betätigen der Aus-Taste bzw. beim Ansprechen einer Sicherheitsfunktion werden beide - pneumatisch in Reihe geschalteten - Ventile über eine Steuerelektronik geöffnet. Sie bleiben dann solange geöffnet, bis die in der Abschaltphase absinkende Batteriespannung die Schließspannung der Ventile erreicht. Das kurzzeitige öffnen der Ventile 23 und 24 in der Abschaltphase hat den Zweck, dem Wasserstoff, der in der Batterie noch mit vollem Druck ansteht, Gelegenheit zu geben, in die Sauerstoffräume einzuströmen, in denen der Sauerstoffdruck durch das vorzeitige Schließen des O2-Membranventils 14 und durch das gleichzeitige öffnen des O2-Spülventils 26 ~ im Vergleich zum Wasserstoffdruck abgesunken ist.
Nachdem sämtliche Ventile (13, 14, 16, 18, 23, 24, 25 und 26) nach Erreichen ihrer Schließspannung geschlossen sind, besteht in allen Gasräumen der Batterie ein gewisser Wasserstoffüberdruck. Damit wird einerseits der
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Gefahr der Oxidation der Katalysatoren vorgebeugt und andererseits wird ein Fluten der Gasräume mit Elektrolytflüssigkeit verhindert. Geflutete Gasräume hatten nämlich zur Folge, daß bei jedem Einschaltvorgang durch das einströmende Gas sämtliche Gasräume erst von der Elektrolytflüssigkeit befreit werden müßten, wau zu Druckschwankungen führen würde, die sich für dio Asbestdiaphragmen schädlich auswirken könnten.
Das Reduzierventil 21 wird von der Op-Steuerlei'iung 17 her etwa mit einem Überdruck von 1 bar beaufschlagt. Im Ventil selbst wird dieser Druck auf einen überdruck von etwa 0,4 bar reduziert und den Gasräumen des Elektrolyt regenerators zugeleitet. Der reduzierte Gasdruck hat dabei die Aufgabe, als Gegendruck zum Elektrolytpumpendruck eine einseitige Druckbelastung der Asbestdiaphrag men des Elektrolytregenerators zu verhindern.
3 Patentansprüche
1 Figur
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Claims (2)

2836454 VPA 78 P 7 5 3 3 BRD Patentansprüche
1. H2/02-Brennstoffbatterie mit
- einer Arbeitsleitung für Wasserstoff (Hp-Arbeitsleitung),
- einer Arbeitsleitung für Sauerstoff (02-Arbeitsleitung),
- einem Membranventil in der H2-Arbeitsleitung (H2-Membranventil),
- einem Membranventil in der Op-Arbeitsleitung (O2-Membranventil),
- einer Steuerleitung für das ^-Membranventil (H2-Steuerleitung)*
- einer Steuerleitung für das 02-Membranventil (O2-Steuerleitung) und
- einem Ein- bzw. Ausschaltventil für Wasserstoff in der
Hrj-Steuerleitung (^-Steuerventil), dadurch gekennzeichnet, daß
- die O2-Steuerleitung an die Hg-Arbeitsleitung angeschlossen ist, wobei sie zwischen dem H2-Membranventil und dem Batterieeingang in die H2-Arbeitsleitung mündet,
- in der O2-Steuerleitung ein Ein- bzw. Ausschaltventil für Sauerstoff (02-Steuerventil) angeordnet ist und
- der öffnungsdruck des 02-Membranventils größer ist als derjenige des H2-Membranventils.
2. H2/02-Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die 02-Steuerleitung - zwischen dem O2-Steuerventil und der Mündung in die H2-Arbeitsieitung - über ein Reduzierventil eine Druckleitung zu einem Elektrolytregenerator angeschlossen ist„
-3. H2/02-Brennstoffbatterie nach Anspruch 1 od©r 2, dadurch gekennzeichnet, daß
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- 2 - VPA TB Ψ 7 5 3 3 BRD
zwischen der Hp-Arbeitsleitung am Batterieausgang und der Op-Arbeitsleitung am Batterieeingang eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, in der wenigstens ein Ventil angeordnet ist.
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