DE2941514C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen-Kraftwerke, und im besonderen deren Betrieb bei niedrigen Leistungsniveaus.

Brennstoffzellen-Kraftwerke umfassen im allgemeinen eine oder mehrere Reihen von Brennstoffzellen, wobei in jeder Reihe die Brennstoffzellen miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Zum Betrieb der Zellen wird deren Kathoden Luft und den Anoden Wasserstoff, welcher den be­ nötigten Brennstoff enthält, zugeführt. Diese Ströme durchflie­ ßen die Zellen, wonach die erschöpften Reaktionsstoffströme kon­ tinuierlich aus der Einrichtung abgeführt werden. Je nach der Größe des Kraftwerks umfaßt je eine Reihe Brennstoffzellen ein halbes Dutzend oder weniger Zellen oder sogar mehrere hundert Zellen. Die Luft- und Brennstoffströme werden den Zellen üblicher­ weise mit Hilfe eines oder mehrerer Verteiler (Sammelleitungen) pro Reihe zugeführt. Die Zellenbestandteile sind zum Arbeiten innerhalb eines vorgewählten Spannungsbereiches ausgelegt. Infolge­ dessen muß jede einen vorbestimmten Maximalwert überschreitende Spannung vermieden werden, da eine zu hohe Spannung an die Zellen angeschlossene Anlagenteile beschädigen, und eine übermäßig hohe Korrosionsrate der Zellenbestandteile, ins­ besondere der Kathoden hervorrufen kann.

Die erzeugte Leistung der Brennstoffzellenreihen wird durch eine Regelung der an den Ausgangskontakten einwirkenden Belastungs­ impedanz gesteuert. Beim Betrieb der Brennstoffzellen mit ver­ hältnismäßig hoher Leistungsabgabe, so zum Beispiel wenn das Kraftwerk bei voller oder nahezu voller Kapazität arbeitet, werden der Brennstoffstrom, der Luftstrom und die Zellentemperatur wunschgerecht nach sogenannten normalen Betriebskurven geregelt. Eine Arbeitsweise gemäß diesen normalen Betriebskurven beliefert die Zellen mit einem hohen Überschuß an Luft, so daß nur etwa 60 oder 70% des von der Luft zur Verfügung gestellten Sauerstoffs von den Zellen verbraucht wird. (Im folgenden wird das Verhältnis der von den Zellen verbrauchten Sauerstoffmenge zur von dem Luft­ strom bereitgestellte Gesamtsauerstoffmenge mit "Sauerstoffsver­ brauchspquotient" U der Zellen bezeichnet). Die normalen Betriebs­ kurven sind so ausgelegt, daß die durchschnittliche Zellenspan­ nung etwa unter dem erlaubten Maximalwert liegt oder diesem entspricht, um den höchsten möglichen Wirkungsgrad des Kraftwerkes zu erreichen. Wird jedoch die Leistung herabgesetzt, so wird schließlich ein Punkt erreicht werden, wo die normalen Betriebs­ kurven die Spannung nicht mehr unterhalb des erlaubten Maximalwerts halten können. In der vorliegenden Beschreibung werden unter diesem Wert liegende Leistungsniveaus mit "tiefen Leistungs­ niveaus" bezeichnet. Um die Brennstoffzellen bei diesen tiefen Leistungsniveaus zu betreiben, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Spannung herabzusetzen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Wirkungsgrad der Zellen herabgesetzt wird. Es ist klar, daß dies vorzugsweise so kostengünstig wie möglich, und ohne den Bestandteilen der Kraftwerksanlage schwerwiegende Schäden zuzufügen, geschehen soll.

Eine bekannte Methode, um die Spannung bei tiefen Leistungsniveaus herabzusetzen, besteht darin, den Partialdruck des die Anode durch­ fließenden Brennstoffes zu verringern. Das US-Patent 33 79 572 von M. A. Gay beschreibt eine Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoff­ zellenanlage, welche diese Verfahren benutzt. Die in diesem US-Patent beschriebene Brennstoffzellenanlage ist ein geschlossenes System, in welchen das Ablassen der Reaktionsstoffströme zum Abführen von unerwünschten Stoffen aus der Anlage nur zwischendurch bewerkstel­ ligt wird. Bei der normalen Betriebsweise wird der Anode ein Über­ schuß an reinem Wasserstoff zugeführt, wobei die aus der Anode austretenden Abgase kontinuierlich in die Zelle rückgeführt wer­ den, nachdem ihnen zusätzlicher Brennstoff zugefügt worden ist, um den in der Zelle verbrauchten Wasserstoff auszugleichen. Dabei dient der Wasserstoff auch dem Zweck, das in der Zelle anfallende Wasser aus der Zelle abzuführen. Dieses Wasser wird den rückgeführten Abgasströmen der Anode von einem Pumpenabscheider entzogen. Die in diesem US-Patent beschriebene Anlage kann die Spannung bei tiefen Leistungsniveaus durch ein einfaches Verringern des in die Zellen eintretenden Brennstoffstromes (Wasserstoff) nicht herab­ setzen, weil wie angeführt der verminderte Wasserstoffstrom nicht in der Lage wäre, das gesamte in der Zelle anfallende Reaktions­ wasser abzuführen. Dies hätte eine Verdünnung des Elektrolyten zur Folge. Zur Lösung dieses Problems sieht dieses US-Patent nicht eine Verringerung des Wasserstoffstromes vor, sondern die Beimengung einer bestimmten Menge Inertgas (Stickstoff) zu dem rückgeführten Wasserstoffstrom. Diese Menge Inertgas fließt nun im Kreis­ lauf mit dem Wasserstoffüberschuß während des Betriebes der Anlage bei tiefen Leistungsniveaus mit. Dadurch wird der Partialdruck des Wasserstoffes herabgesetzt, jedoch bleibt der im Kreislauf fließende Strom stark genug, um das in der Brennstoffzelle erzeugte Wasser abzuführen. Genau wie bei dem Betrieb bei hohen Leis­ tungsniveaus wird dem rückgeführten Anodenabgas nach Wunsch reiner Wasserstoff zugefügt, um den in der Zelle verbrauchten Wasserstoff auszugleichen und um die Druckverhältnisse innerhalb der Zelle zu erhalten. Soll der Brennstoffzelle zu einer Betriebs­ weise bei normalen Leistungsniveaus zurückgeführt werden, so wird der im Kreislauf fließende Abgasstrom der Anode abgelassen, um das Inertgas aus der Zelle abzuführen. Schließlich weist der im Kreislauf fließende Strom wieder seine normale Zusammensetzung auf, d. h. er besteht dann wieder hauptsächlich aus Wasserstoff.

Die Anwendbarkeit des in der erwähnten US-Patentschrift beschriebenen Verfahrens beschränkt sich auf nicht entgaste Sauerstoff/Wasser­ stoff-Brennstoffzellen, welche in Großanlagen wirtschaftlich nicht zur Krafterzeugung verwendet werden können. Dieses Verfahren eignet sich nicht zur Verwendung in entgaste Luft/Wasserstoff- Brennstoffzellen enthaltenden Anlagen der eingangs beschriebe­ nen Art, welche den Gegenstand der vorliegenden Erfindungsbeschrei­ bung bilden.

Weiter ist das in der erwähnten US-Patentschrift beschriebene Verfahren zum Herabsetzen der Austrittsspannung bei tiefen Leistungsniveaus recht unwirksam, um die Korrosion der Kathode zu verhindern, da dessen Betriebsweise auf einer Erhöhung des Anoden­ potentials beruht, statt auf einer Verminderung des Kathodenpoten­ tials.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mög­ lichst wirksame Betriebsweise für Brennstoffzellen-Kraftwerke bei tiefen Leistungsniveaus zu schaffen, wobei die Brennstoff­ zellen den möglichst kleinsten Schaden erleiden sollen.

Weiter liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herabsetzen der Austrittsspannung von Luft/ Wasserstoff-Brennstoffzellen, in welchen beide Reaktionsstoff­ ströme abgelassen werden, zu schaffen.

Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Austrittsspannung von Brennstoffzellen herabzusetzen, ohne da­ bei eine merkliche Erhöhung der Korrosion der Kathode zu bewirken.

Erfindungsgemäß wird in einer Luft/Wasserstoff-Brennstoffzelle, in welcher die Reaktionsstoffströme kontinuierlich aus der Anlage abgeführt werden, die Austrittsspannung der Zelle durch Rückführen eines Anteils der Kathodenabgase durch die Zelle herabgesetzt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Spannung weiter herabgesetzt, indem der gesamte durch die Zelle fließende Luftstrom herabgesetzt und ein Anteil der Kathodenabgase durch die Zelle rückgeführt wird.

Mit dem Ziel, unerwünschte Auswirkungen auf den Betrieb des Kraftwerks möglichst gering zu halten, ist es wünschens­ wert, jedoch nicht unbedingt erforderlich, zuerst die Spannung dadurch, daß die Betriebstemperatur der Zellen vermindert wird, herabzusetzen. Jedoch kann diese Temperatur nur um einen geringen Wert herabgesetzt werden, ohne dabei Schwankungen des Wirkungs­ grades der Zelle hervorzurufen und ohne dabei wünschenswerte thermische und elektrische Eigenschaften innerhalb des Kraftwerkes zu verlieren. Es kann also nur eine geringfügige Herabsetzung des Leistungsniveaus durch diese Maßnahme allein erreicht werden.

Gemäß der Erfindung wird ein Anteil der Kathodenabgase in die Zelle rückgeführt, wenn das Leistungs­ niveau weiter verringert werden soll. Da die Kathodenab­ gase eine geringere Menge Sauerstoff enthalten als frische Luft, hat die Rückführung dieser Abgase eine Verringerung des durch­ schnittlichen Partialdruckes des Sauerstoffs innerhalb jeder Zelle zur Folge, wodurch die Spannung herabgesetzt wird. Das Leistungsniveau kann dann herabgesetzt werden, bis die Spannung zu dem erlaubten Maximalwert zurückkehrt. Wie noch erläutert werden wird, ist eine solche Rückführung der Abgase nicht ohne Nachteile, und für jede Gruppe von Betriebsparametern wird es eine kritische Rückführungsrate geben, bei welcher die Nachteile schwerer ins Gewicht zu fallen beginnen als die Vorteile. Wenn nun das tatsächliche Leistungsniveau immer noch über dem erwünschten Wert liegt und die Spannung dem erlaubten Maximalwert entspricht, so kann ein weiterer Spannungsabfall dadurch, daß der gesamte die Zellen durchfließende Luftstrom vermindert wird, erreicht wer­ den (d. h. der Sauerstoffverbrauchsquotient wird erhöht). Diese Maßnahme ist auch nicht ohne Nachteile, und somit soll der Lutstrom nicht soweit verringert werden, daß die Nachteile die erzielten Vorteile aufheben, was noch genauer erläutert werden wird. Wie dem auch sei, ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die zur Herabsetzung der Spannung ergriffenen Maßnahmen das Kathodenpotential verringern, was wiederum eine Verminde­ rung der Korrosion dieser Kathoden zur Folge hat.

Wenn schließlich der Rückführstrom bis auf den vorbe­ stimmten zulässigen Maximalwert erhöht und der Luftstrom auf einen vorbestimmten zulässigen Minimalwert verringert worden ist und danach die tatsächliche Leistung immer noch über der erwünschten Leistung liegt, ist ein weiteres Herabsetzen der Leitungsniveaus einfach nicht zulässig.

Die erwähnten, der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Auf­ gaben sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nunmehr ausführlich anhand der folgenden genauen Be­ schreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen und anhand der Abbildungen erläutert.

Abb. 1 ist eine teilweise schematische Gesamtskizze, welche einen Teil eines gemäß dem Verfahren nach der Erfindung arbeitenen Brennstoffzellen-Kraftwerkes darstellt. Die

Abb. 2, 3 und 4 sind Diagramme, welche die Verhältnisse zwischen verschiedenen Parametern eines Brennstoffzellen-Kraft­ werkes darstellen.

Abb. 1 zeigt ein Brennstoffzellen-Kraftwerk. Eine eine Vielzahl elektrisch miteinander in Reihe geschalteter Brennstoffzellen umfassende Brennstoffzellenreihe ist mit der Bezugszahl 10 versehen; jedoch im Sinne einer guten Übersichtlich­ keit sind nur zwei vollständige Zellen abgebildet. Jede Zelle umfaßt eine mit dem Phosphorsäureelektrolyten getränkte Silicium­ carbid-Matrize 12. Diese Matrize 12 ist zwischen einer Kathode oder Oxidationselektrode 14 und einer Anode oder Brennstoff­ elektrode 16 eingefügt. In der Reihe 10 nebeneinandergelagerte Zellen sind durch gasundurchlässige Platten 17, 17 A, 17 B getrennt. In der Zellenreihe anfallende Hitze kann mittels eines eine dieser Platten durchlaufenden Kühlfluids entfernt werden. In der in der Zeichnung abgebildeten Platte 17 A fließt ein Kühlfluid durch die Leitung 18, was schematisch angedeutet ist.

Das Fluid wird durch eine Pumpe 19 im Kreislauf gefördert; und die in den Zellen aufgenommene Hitze wird an die Außenluft abgegeben oder an andere Abteilungen des Kraftwerkes mittels eines Wärmeaustauschers 20 übertragen.

Eine Luftquelle 22 liefert Luft an einen Verteiler 24 mittels einer Leitung 26. Der Luftstrom wird durch ein Ventil 27 inner­ halb der Leitung 26 gesteuert. Der Verteiler 24 gibt die Luft an den Kathoden 14 jeder Zelle benachbarte Luftkanäle 28 weiter. Aus den Luftkanälen 28 herrührende Abgase (welche fortan mit "Kathodenabgase" bezeichnet werden) fließen in eine Sammelleitung 30 und werden aus der Brennstoff­ zellenreihe mittels einer Leitung 32 abgeführt. Aus einer Brennstoff­ quelle 34 herrührender Brennstoff, z. B. Wasserstoff, wird in einen Verteiler 36 mittels einer Leitung 38 eingeführt. Der Verteiler 36 leitet den Brennstoff zu den Anoden 16 benachbarten Brennstoffkanälen 40 weiter. Die aus dem Brennstoffkanal ausfließen­ den Abgase werden aus der Brennstoffzellenreihe mittels einer an eine Leitung 44 angeschlossenen Sammelleitung 42 abgeführt. Das US-Patent 39 94 748 von H. R. Kunz und C. A. Reiser, welches dieser Erfindungsbeschreibung durch Rückbezug einverleibt wird, enthält eine genauere Beschreibung einer zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Verteiler- und Sammel­ leitung.

Ein in einer Leitung 48 angebrachtes Gebläse 46 dient dazu, einen An­ teil der Kathodenabgase in die Zellen zurückzuführen. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist das Gebläse entweder ein- oder ausgeschaltet und ermöglicht demzufolge nur eine einzige Rezirkulationsrate.

Eine einen Rechner umfassende Steuerung 50 empfängt eine Vielzahl von Signalen, auf die sie reagiert, um eine Vielzahl von in dem Kraftwerk zu erzeugenden Vorgängen zu regeln. So erhält sie ein Signal von einem Luftflußmeßgerät 54, welches ihr meldet, wieviel Luft in die Zellenreihe 10 eingeführt wird. Die aus einer Meßeinrich­ tung 60 herrührenden Signale 56 und 58 melden der Steuerung 50 den Wert des erzeugten Stromflusses und den Wert der tatsächlichen Leistungsabgabe der Zellenreihe 10. Anhand des Wertes des erzeugten Stromflusses und der Luftflußmenge kann die Steuerung den Sauerstoffsverbrauchquotient der Zellen berechnen. Ein Signal 62 meldet der Steuerung 50 die erwünschte Leistungsabgabe. Die Steuerung vergleicht die tatsächliche und die erwünschte Leistungs­ abgabe kontinuierlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung regelt die Steuerung 50 weiter das Ventil 27, den Wärmeaustauscher 20 und das Gebläse 46 mittels Signalen 64, 66 bzw. 68.

Beim Betrieb der Anlage erhöht und vermindert eine nicht abgebilde­ te elektrische leistungssteuernde Einrichtung (z. B. mit Wechsel­ richter) die Leistungsabgabe je nach Wunsch, indem die auf die Ausgangskontakte der Zellenreihe einwirkende Belastungsimpedanz verändert wird. Wenn die Spannung einen vorbestimmten Maximalwert erreicht hat, stellt diese Einrichtung die Verminderung der Leistung ein. Zu diesem Zeitpunkt hat die Steuerung 50 errechnet, daß die erwünschte Leistung unter der tatsächlichen Leistung liegt, und sendet demzufolge das Signal 66 zu dem Wärmeaustauscher 20. Dadurch wird dem durch die Leitung 18 fließenden Kühlfluid eine zusätzliche Menge Hitze entzogen, so daß das in die Zellen wieder einfließende Fluid eine tiefere Temperatur aufweist. Somit ist das Fluid in der Lage, zusätzlich Hitze aus den Zellen abzuführen, wodurch die durchschnittliche Betriebstemperatur der Zellen vermindert wird. Diese Verminderung der Betriebstemperatur hat eine verringerte Austritsspannung zur Folge. Sobald die Span­ nung unter einen vorgewählten Maximalwert fällt, setzt die leistungs­ steuernde Einrichtung wieder automatisch die tatsächliche Leistungsabgabe herab, bis entweder das erwünschte Leistungsniveau erreicht oder der maximale Spannungswert wieder erreicht ist.

Die Steuerung 50 vergleicht die neue tatsächliche Leistung mit der erwünschten Leistung, und wenn die tatsächliche Leistung der er­ wünschten Leistung entspricht, werden keine weiteren Maßnahmen ergriffen. Falls die tatsächliche Leistung immer noch über der erwünschten Leistung liegt, jedoch keine weitere Verringerung der Zellentemperatur möglich ist, wird das Gebläse 46 über das Signal 68 eingeschaltet. Dies hat einen Spannungsabfall zur Folge und ermöglicht es der leistungssteuernden Einrichtung, wieder die tatsächliche Leistungsabgabe zu verringern, bis ent­ weder das erwünschte Leistungsniveau oder der maximale Spannungs­ wert erreicht ist.

Die Steuerung 50 vergleicht nunmehr wieder die erwünschte Leistung mit der tatsächlichen Leistung. Wenn die tatsächliche Leistung immer noch über der erwünschten Leistung liegt, wird das Signal 64 zu dem Ventil 27 gesendet, damit dieses den Luftdurch­ fluß verringert. Dies hat eine Erhöhung des Sauerstoffverbrauchs­ quotients zur Folge und bewirkt also ein Herabsetzen der durch­ schnittlichen Zellenspannung. Sowie die Spannung verringert wird, setzt die leistungssteuernde Einrichtung das Leistungsniveau wiederum weiter herab.

Die Steuerung 50 fährt fort die tatsächliche Leistung mit der erwünschten Leistung zu vergleichen und den in die Zellen ein­ fließenden Luftstrom herabzusetzen, bis entweder das erwünschte Leistungsniveau oder der höchstzulässige Sauerstoffverbrauchs­ quotient erreicht ist. Der höchstzulässige Sauerstoffverbrauchs­ quotient ist im allgemeinen der Sauerstoffverbrauch, der die tiefst­ zulässige Austrittspannung einer einzelnen Zelle zur Folge hat. Wenn an diesem Punkt das erwünschte Leistungsniveau immer noch nicht erreicht ist, wird einer Überwachungsperson ein Signal gesendet, welches dieser mitteilt, daß das tiefstmögliche Leistungsniveau erreicht ist und daß ein weiteres Herabsetzen der Leistungs­ abgabe nicht möglich ist.

In dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die erste eingeleitete Herabsetzung der Spannung dadurch erreicht, daß die durchschnittliche Betriebstemperatur der Zellen vermindert wird. Da durch diese Maßnahme die Spannung nur um einen geringen Wert vermindert werden kann, kann es in einigen Fällen wünschens­ wert oder zu bevorzugen sein, keine Temperaturabänderung vor­ zunehmen und unverzüglich als erste Maßnahme das Gebläse 46 einzuschalten.

Ebenfalls gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Gebläse 46 entweder ein- oder ausgeschaltet, während der Luftstrom kontinuierlich vermindert wird. Es gibt keinen Grund dafür, daß das Gebläse 46 nicht ein Gebläse mit stufen­ loser Drehzahlregelung sein kann, so daß die Steuerung 50 die Menge rückgeführter Abgase kontinuierlich regeln kann. Ebenfalls gibt es keinen Grund dafür, daß die Steuerung 50 nicht programmiert werden kann, um die Rückführung der Kathodenabgase und den Luftstrom gleichzeitig oder getrennt nach einem vorbestimmten Zeitplan zu regeln. Theoretisch besteht das Endziel darin, die best­ mögliche Kombination zwischen Abgasrückführung und Luftstrom für jeden einzelnen Betriebswert zu wählen, um somit den bestmöglichen Kompromiß zwischen Wirkungsgrad und Lebensdauer des Kraftwerkes unter allgemein als nachteilig anzusehenden Betriebsbedingungen zu erzielen. Jedoch können die Kosten der benötigten Steuerungen zur Durchführung eines solchen Vorhabens zu hoch sein.

Im nun folgenden Teil werden die einzelnen zu berücksichtigenden Faktoren besprochen, welche zum Regeln der Parameter, wie sie im Verfahren nach der Erfindung anfallen, in Betracht gezogen werden sollten. Abb. 2 veranschaulicht die Auswirkung des Rückführstromes der Kathodenabgase (R) auf die in der Zelle an­ fallende Verteilungsungleichheit der Stromdichte. Die Verteilungs­ ungleichheit der Stromdichte ist das Verhältnis zwischen der am Lufteintritt der Kathode anfallenden Stromdichte und der am Austritt der Kathode anfallenden Stromdichte. Diese Verteilungsungleichheit der Stromdichte ist schädlich, da sie eine Verteilungsungleich­ heit der Temperatur bewirkt, wodurch ortsgebundene heiße Punkte innerhalb der Zelle entstehen. Diese Verteilungsungleichheit der Stromdichte soll so niedrig sein, daß örtliche Temperaturmaximal­ werte innerhalb der Zzelle materialbedingte zulässige Höchstgrenzen nicht überschreiten. Auf der senkrechten Achse der Abb. 2 ist die relative Stromdichte der Zelle aufgetragen. Der durchschnitt­ lichen Zellenstromdichte ist der willkürliche Wert von 1,0 zuerteilt. Auf der waagerechten Achse stellt Punkt 0,0 den Gas-Eintritt der Zellenkathode, und der Punkt 1,0 den Gas-Ausgang der Zellenkathode dar. Die aufgetragenen Werte sind die eines globalen Sauerstoffver­ brauchsquotienten (U) von etwa 0,9 und eines Luftstromes von 0,710 kg pro Stunde und pro Quadratmeter Zellenfläche. Da bei nor­ malen Betriebsbedingungen der globale Sauerstoffsverbrauchsquotient zwischen etwa 0,6 und 0,7 liegt, bedeutet ein globaler Sauerstoff­ verbrauchsquotient von 0,9, daß der in die Zellen einfließende Luftstrom beträchtlich herabgesetzt worden ist, gemäß der allgemeinen Lehre der vor­ liegenden Erfindung. Die gestrichelte Linie stellt eine Annäherung des Falles eines abwesenden Rückführstromes dar. Die beiden durchgezogenen Linien stellen Rückführströme von etwa 0,991 kg pro Stunde und pro Quadratmeter Zellenfläche dar. Aus Fig. 2 geht deutlich hervor, daß je höher der Rückführstrom ist, desto gleichmäßiger die Stromdichte innerhalb der Zelle ist. Falls kein Rückführ­ strom vorhanden ist, besteht zwischen der Strom­ dichte am Eintritt und am Ausgang der Zelle ein Verhältnis von 10 zu 1 (d. h. die Verteilungsungleichheit des Stromes ist 10,0). Falls der Rückführstrom den Wert von 0,991 kg pro Stunde und pro Quadratmeter einnimmt, ist die Verteilungsungleichheit der Strom­ dichte nur etwa 4,5. Falls der Rückführstrom den Wert von 15,67 kg pro Stunde und pro Quadratmeter einnimmt, fällt die Verteilungsungleichheit der Stromdichte auf unter 1,4. Für die meisten Anwendungen ist es wünschenswert, daß die Verteilungs­ ungleichheit des Stromes nicht größer als 3,0 und vorzusweise nicht größer als 2,0 ist. Man beachte, daß der Rückführ­ strom die durchschnittliche Stromdichte einer Zelle nicht beeinflußt.

Damit eine Zelle eine bestimmte durchschnittliche Stromdichte liefert, ist sie genötigt, eine bestimmte Menge Sauerstoff zu verbrauchen, bei gleichbleibenden anderen Größen. Die zur Erstellung des Diagramms in Abb. 2 benützte Einrichtung, in welcher U gleich 0,9 ist, verbraucht je Quadratmeter Zelle durchweg zwar etwa 0,152 kg Sauerstoff pro Stunde, wird jedoch mit nur etwa 0,170 kg Sauerstoff pro Stunde beliefert. Wenn jedoch die Zelle mit einem globalen Sauerstoffver­ brauchsquotient von z. B. 0,6 arbeitete, würde jeder Quadratmeter Zelle etwa 0,254 kg Sauerstoff pro Stunde erhalten, um die gleiche Arbeit zu verrichten.

In diesem letzten Falle ist die Sauerstoffkonzentration am Kathodenausgang noch hinreichend, da am Kathodeneintritt ein großer Überschuß an Sauerstoff besteht, und das Verhältnis zwischen der Stromdichte am Eintritt und am Ausgang der Zelle wäre nur etwa 2 zu 1, sogar in Ab­ wesenheit eines Rückführstromes. Bei dem Sauerstoffverbrauchs­ quotient von 0,9 nach Fig. 2 ist in Abwesenheit eines Rückführ­ stromes zwar hinreichend Sauerstoff am Zelleneintritt, je­ doch wenig Sauerstoff am Zellenausgang vorhanden. Damit die Zelle die verlangte durchschnittliche Stromdichte erzeugen kann wird der Eintrittsteil der Zelle überbeansprucht im Verhältnis zum Austritts­ teil. Somit hat nur bei hohen Sauerstoffverbrauchsquotienten eine Verteilungsungleichheit der Stromdichte schwerwiegende Folgen.

Da die Kathodenabgase eine geringere Sauerstoffkonzentration auf­ weisen als der frische Luftstrom, hat die Rückführung eines Anteils der Kathodenabgase zur Folge, daß die Sauerstoffkonzentration des in die Kathode eintretenden Stromes verringert wird. Der verringer­ ten Sauerstoffkonzentration am Kathodeneingang zur Folge ist der Kathodenteil am Eingang der Zelle nicht in der Lage einen ebenso großen Anteil Sauerstoff des Gasstromes zu verbrauchen als dies der Fall wäre bei einer höheren Sauerstoffkonzentration. Somit bleibt mehr Sauerstoff für den Ausgang der Kathode übrig. Eine Rückführung der Kathodenabgase hat demgemäß eine Verminderung der Stromdichte am Kathodeneintritt und eine Erhöhung der Strom­ dichte am Kathodenausgang zur Folge. In Wirklichkeit ist es sehr unpraktisch, den in die Zelle einfließenden Frischluftstrom bedeutend zu verringern, ohne dabei wenigstens eine kleine Rückführung zu bewerkstelligen mit dem Ziel, die Verteilungsungleich­ heit der Stromdichte, welche andernfalls entstehen würde, auszu­ gleichen.

In Abb. 3 ist die durchschnittliche Zellenspannung gegenüber dem Rückführstrom der Kathodenabgase pro Quadratmeter Zellen­ fläche aufgetragen. Abb. 3 zeigt klar, daß ein verminderter Luftstrom einen Spannungsabfall zur Folge hat. Die gestrichelte Linie stellt normalere Luftstrombedingungen dar, z. B. die eines globalen Sauerstoffverbrauchsquotients von 0,6. Man bemerke, daß bei dem Wert U = 0,6 eine Erhöhung des Rückführstromes nur einen geringen Spannungsabfall erzeugen kann. Deshalb ist es eben­ falls notwendig, den Sauerstoffverbrauchsquotienten zu erhöhen, um bedeutungsvolle Verringerungen des Leistungsniveaus zu erzielen. Für die meisten Anwendungen wird der Sauerstoffverbrauchsquotient bis zu wenigstens 0,85 erhöht werden müssen, und wahrscheinlicher bis zu 0,9, um die tiefsten geforderten Leistungsniveaus mit annehmbaren Rückführströmen zu erreichen.

Abb. 4 ermöglicht es, einen weiteren Faktor zu berücksichtigen, welcher in Betracht gezogen werden muß, um das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung optimal zu gestalten. In einer üblichen verteiler- und sammelleitungsbewehrten Gruppe von Zellen (welche z. B. eine ganze Reihe oder ein Anteil der Reihe sein kann) ist es nicht möglich zu gewährleisten, daß jede Zelle in der Reihe den gleichen Massenstrom an Oxidationsmitel erhält, sogar bei einer Betriebsweise mit hohen Leistunsniveaus, bei welcher ein großer Überschuß an Luft durch den Verteiler in die Zellen fließt. Die Differenz zwischen dem durchschnittlichen Oxidationsmittelstrom und dem die am wenigsten Durchfluß erhaltenden Zelle durchfließenden Oxidationsmittelstrom wird mit Oxidationsmittel-Verteilungsungleich­ heit als Bruchteil des durchschnittlichen, die Zellen durchfließen­ den Massenstroms ausgedrückt und ist als Funktion des Rückführ­ stromes bei zwei verschiedenen Sauerstoffverbrauchsquotienten aufge­ tragen. Die Kurven sind aufgezeichnet unter der Annahme, daß die erlaubte Verteilungsungleichheit des Oxidationsmittels dann auftritt, wenn die am wenigsten Durchfluß erhaltende Zelle 100% des ihr gelieferten Sauerstoffes verbraucht (z. B. U = 1,0). Man bemerke, daß sowohl tiefere Sauerstoffverbrauchsquotienten (z. B. höhere Luftströme) und höhere Rückführströme eine höhere erlaubte Oxidationsmitel-Verteilungsungleichheit hervorrufen. Da ein Errei­ chen einer kleineren Oxidationsmittel-Verteilungsungleichheit bei feststehenden Parametern eine genau ausgelegte und gebaute Brenn­ stoffzellenreihe erfordert, ist es wünschenswert, eine hohe erlaubte Oxidationsmittel-Verteilungsungleichheit zu haben. Um die Berech­ nungs- und Baukosten einer Brennstoffzellenreihe annehmbar zu ge­ stalten, wird angenommen, daß die erlaubte Oxidationsmitel-Ver­ teilungsungleichheit wenigstens 0,15 und vorzugsweise wenigstens 0,25 sein sollte. Sobald ein Mindestwert der erlaubten Sauerstoff­ verteilungsungleichheit gewählt worden ist, kann irgendeine Kom­ bination von Sauerstoffverbrauchsquotient und Rückführstrom benützt werden, welche eine über dem gewährten Minimalwert liegende erlaubte Oxidationsmittel-Verteilungsungleichheit zur Folge hat.

Es gibt verschiedene andere, vielleicht nebensächliche Faktoren, welche es verdienen, in Betracht gezogen zu werden, wenn das Ver­ fahren der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden soll. Zum Beispiel muß man wissen, daß die Rückführung von Kathodenabgasen Energie verbraucht. Je höher der Rückführstrom ist, desto größer ist die dadurch verbrauchte Energie. Dabei wird ein Punkt erreicht werden, an dem die Vorteile eines höheren Rückführstromes von den dazu erforderlichen Energiebedürfnissen zunichte gemacht werden. Diese Tatsache zwingt dazu, den Rückführstrom niedrig zu halten. Ebenfalls muß man wissen, daß in verschiedenen Arten von Brenn­ stoffzellen, so z. B. in Phosphorsäure-Brennstoffzellen, kleine Mengen Elektrolyt in den Reaktionsgasstrom verdampfen können. Da die Menge des von den Kathodenabgasen mitgeführten Elektrolyten, welche schließlich dem System verlorengeht, mit steigendem Rückführstrom erhöht wird, ist man wiederum gezwungen, den Rückführstrom niedrig zu halten.

Claims (6)

1. Verfahren zum Verringern der durchschnittlichen Austritts­ spannung von Brennstoffzellen, um die Leistungsabgabe der in Reihe geschalteten Zellen, deren Kathoden mit Luft als Oxida­ tionsmittel und deren Anoden mit Wasserstoff als Brennstoff beliefert werden, herabzusetzen, wenn die durchschnittliche Zellenspannung bei einer gegebenen tatsächlichen Leistungs­ abgabe dem zulässigen Maximalwert entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des Kathodenabgasstromes in die Kathoden zu­ rückgeführt wird und dabei

• 1. die erwünschte Leistungsabgabe mit der tatsächlichen Lei­ stungsabgabe verglichen wird, und, wenn die erwünschte Leistungsabgabe unter der tatsächlichen Leistungsabgabe liegt, der Rückführstrom der Kathodenabgase zur Verminde­ rung der durchschnittlichen Zellenspannung erhöht wird,
• 2. die tatsächliche Leistungsabgabe so lange vermindert wird, bis die erwünschte Leistungsabgabe oder der höchste zuläs­ sige Spannungswert erreicht wird,
• 3. die erwünschte Leistungsabgabe erneut mit der tatsächlichen Leistungsabgabe verglichen wird, und, wenn die erwünschte Leistungsabgabe immer noch unter der tatsächlichen Lei­ stungsabgabe liegt, der Sauerstoffverbrauchsquotient der Zellen zur Verminderung der durchschnittlichen Zellen­ spannung erhöht wird, indem die in die Zellen einströmen­ de Luftmenge verringert wird, und
• 4. die Schritte 2 und 3 wiederholt werden, bis entweder die tatsächliche Leistungsabgabe der erwünschten Leistungs­ abgabe entspricht oder der höchste erwünschte Sauerstoff­ verbrauchsquotient erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede gegebene Leistungsabgabe die Kombination des Rückführ­ stroms der Kathodenabgase und des Sauerstoffverbrauchsquotien­ ten der Zellen eine Verteilungsungleichheit der Stromdichte von nicht größer als 3,0 erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jede gegebene Leistungsabgabe der Rückführstrom der Kathoden­ abgase und der Sauerstoffverbrauchsquotient der Zellen so ge­ wählt werden, daß sich eine zulässige Verteilungsungleichheit des Oxidationsmittels von wenigstens 0,15 ergibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffverbrauchsquotient wenigstens gleich 0,9 und die Verteilungsungleichheit der Stromdichte nicht größer als 2,0 gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als maximal zulässiger Sauerstoffverbrauchsquotient ein Wert von wenigstens 0,85 gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Schritt 1 folgende Schritte vorausgehen:

• (a) die erwünschte Leistungsabgabe wird mit der tatsächlichen Leistungsabgabe verglichen, und, wenn die erwünschte Lei­ stungsabgabe unter der tatsächlichen Leistungsabgabe liegt, wird zur Verminderung der durchschnittlichen Zellenspannung die Betriebstemperatur der Zellen herabgesetzt, und
• (b) die tatsächliche Leistungsabgabe wird verringert, bis ent­ weder die erwünschte Leistungsabgabe oder die maximal zu­ lässige Zellenspannung erreicht wird.