DE2836464A1 - H tief 2/o tief 2-brennstoffbatterie - Google Patents
H tief 2/o tief 2-brennstoffbatterieInfo
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Description
AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 7 5 3 3 BRD
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,
Bh 2 Koe / 11.8.1978
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VPA 78 P 7 5 3 3 BRD
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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2838464 S
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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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(ρ
-*·- VPA 78 P ?533 BRD
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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- €- VPA 78 P 7 533 HRD
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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/ΙΌ
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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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- VPA IB Ψ 7 5 3 3 BRD
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
1 Figur
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Claims (2)
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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