DE2129134C3 - Brennstoffzellenaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenaggregat zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umsetzung von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten, der im Kreislauf geführt ist, mit einer aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen aufgebauten Brennstoffbatterie, einem die äußere Gestalt eines Brennstoffelementes aufweisenden, am Ende der Brennstoffbatterie angeordneten Elektrolytregenerator, einer Druckschleuse und einem Kühler.

Brennstoffzellen bzw. Brennstoffelemente und Brennstoffbatterien erzeugen aus chemischer Energie, beisDielsweise in Form von Wasserstoff und Sauerstoff, elektrische Energie in Form von Gleichstrom. Der Wirkungsgrad beträgt dabei etwa 50 bis 60%. Der entnehmbare Strom ist bei einer Serienschaltung der Brennstoffelemente abhängig vcn der Größe der aktiven Fläche der einzelnen Zeilen und der zulässigen Flächenbelastung, die Spannung ist abhängig von der Zellenzahl. Bei der elektrochemischen Reaktion, bei der die chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, entsteht Wärme. Diese Wärme muß durch ein

ίο Kühlmedium, beispielsweise Wasser, abgeführt werden. Dabei muß bei einer Brennstoffbatterie in der Regel ebensoviel Wärme durch das Kühlmedium abgeführt werden, wie der Batterie Nutzenergie entnommen wird. Neben der Reaktionswärme entsteht bei der elektro-

is chemischen Umsetzung auch Reaktionswasser, und zwar entstehen pro Kilowattstunde etwa 0,5 Liter Wasser.

Da Brennstoffbatterie« wegen der relativ geringen Spannung der Einzeizellen immer aus einer größeren Anzahl von elektrisch in Reihe oder parallelgeschalteten Zellen bestehen, ergeben sich daraus beim Bau von Brennstoffbatterien mit hoher Leistung große Einheiten. Zusätzlich dazu und im Gegensatz zu den klassischen Batterien und Akkumulatoren benötigen die Brennstoffbatterien zum Dauerbetrieb darüber hinaus eine Reihe von Hilfseinrichtungen. Andererseits müssen derartige Brennstoffbatterien für bestimmte Anwendungsgebiete gewisse Anforderungen erfüllen. So müssen sie beispielsweise bei Verwendung auf dem Gebiet der Traktion, d. h. bei der Verwendung in mobilen Systemen, eine gewisse Schräglagenunempfindlichkeit aufweisen.

Aus den österreichischen Patentschriften 2 77 341 und 2 77 342 sind Brennstoffbatterien bekannt, die aus mehreren Brennstoffelementen aufgebaut sind und einen Elektrolytregenerator besitzen. Der Elektrolytregenerator kann die äußere Gestalt der Brennstoffelemente aufweisen und am Batterieende angeordnet oder zwischen einzelnen bzw. mehreren Brennstoffelemen ten eingebaut sein. Bei derartigen Brennstoffbatterien kann ferner eine Druckschleuse zur Entfernung des Reaktionswassers und — gemäß der OE-PS 2 77 341 — ein Wärmetauscher zur Kühlung der Elektrolytflüssigkeit vorgesehen sein. Aus der US-PS 33 91 027 ist es ferner bekannt, im Elektrolytkreislauf von Brennstoffbatterien einen Vorratstank anzuordnen.

Die bekannten Batterien und Aggregate zeigen jedoch eine sperrige Bauweise, wobei zwischen den einzelnen Bauteilen eine Vielzahl von Leitungen erforderlich ist. Darüber hinaus kann aufgrund dieser Bauweise eine Schräglagenunempfindlichkeit nicht gewährleistet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenaggregat der vorstehend genannten Art zur Erzeugung

SS elektrischer Energie durch Umsetzung von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten, das einen Elektrolytregenerator, eine Druckschleuse und einen Kühler aufweist, weiter zu verbessern. Insbesondere soll das Leistungsgewicht bzw. das Leistungsvolumen und der erforderliche Raumbedarf reduziert werden, indem die Einzelteile des Aggregates in die betrieblich optimale Reihenfolge gesetzt werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Aggregat in kompakter Bauweise in einem gemeinsa-

<>5 men Gehäuse wenigstens eine Brennstoffbatterie, den Elektrolytregenerator, die Druckschleuse, den Kühler, einen Vorratstank und einen Steuerungsteil enthält, wobei die einzelnen Bauteile in dieser Reihenfolge

angeordnet sind und gleiche Querschnittsabmessungen haben, daß sämtliche Leitungen und Verbindungen zwischen den Einzelteilen des Aggregats innerhalb des gemeinsamen Gehäuses untergebracht sind, daß die Zu- und Abführung der gasförmigen Reaktam^n und eines Kühlmediums auf derjenigen Seite des Aggregats erfolgt, an der der Steuerungsteil angeordnet ist, daß im Elektrolytkreislauf der Vorratstank mit der Brennstoffbatterie verbunden und diese über den Elektrolytregenerator und den Kühler wieder an den Vorratstank angeschlossen ist, wobei die ElektrolytflüEsigkeit den Elektrolytregenerator und den Kühler parallel durchströmt, daß zwischen der Brennstoffbatterie und dem Vorratstank eine Bypass-Leitung angeordnet ist, daß im Steuerungsteil in den Zuführungsleitungen für die gasförmigen Reaktanten Membranventile angeordnet sind, daß eine Steuerleitung mit einem pneumatischen Ventil und einem Reduzierventil zur Zuführung eines der gasförmigen Reaktanten von der Zuführungsleitung zum Elektrolytregenerator vorgesehen ist daß in der Steuerleitung ein Magnetventil angeordnet ist, das auf eine untere Grenzspannung der Brennstoffbatterie anspricht, und daß die Membranventile in den Zuführungsleitungen für die gasförmigen Reaktanten an das Magnetventil angeschlossen sind

Ein derartiges Brennstoffzellenaggregat weist verschiedene Vorteile auf. Die Ausführung des Aggregats als integrierte Baueinheit, d.h. als ein Block, ist aus fertigungstechnischen Gründen besonders vorteilhaft Verrohrung und Leitungen zwischen Einzelteilen, die bei getrennter Bauweise erforderlich sind, entfallen, außerdem entfallen durch den Zusammenbau teilweise auch die bei den Einzelteilen jeweils erforderlichen Endplatten. Die Aufteilung des energieerzeugenden Teiles in mehrere Brennstoffbatterien hat den Vorteil, daß dadurch Abweichungen von der Gleichverteüung der Elektrolytströmung in allen Elektrolyträumen, die bei großen Batterieblöcken auftreten können, vermieden werden. Da die einzelnen Brennstoffelemente von Brennstoffbatterien zur Entfernung von Reaktionswasser und Reaktionswärme parallel von der Elektrolytflüssigkeit durchströmt werden, werden sie über die Elektrolytkanäle elektrisch kurzgeschlossen. Die elektrischen Verlustleistungen können zwar in dem Maße verringert werden, je kleiner die Kanalquerschnitte für die Elektrolytversorgung gewählt werden. Bei Verkleinerung der Kanalgeometrie nimmt jedoch die für die Abfuhr von Reaktionswärme und Reaktionswasser erforderliche Pumpleistung zu. Darüber hinaus ergeben sich dann auch die bereits genannten Schwierigkeiten bei der Gleichverteilung der Strömung. Da auch die am schlechtesten durchströmte Zelle mit einem Mindeststrom an Elektrolytflüssigkeit versorgt werden muß, erhöht sich der insgesamt erforderliche Volumenstrom, d. h. die Pumpleistung. Deshalb ist es vorteilhaft, die insgesamt zur Erzielung einer bestimmten Leistung erforderlichen Brennstoffelemente in mehreren Brennstoffbatterien zusammenzufassen.

Das Brennstoffzellenaggregat nach der Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß sämtliche Leitungen und Verbindungen zwischen den Einzelteilen des Aggregats innerhalb des gemeinsamen Gehäuses untergebracht sind, und zwar in dessen Randzonen. Dadurch entsteht eine kompakte Baueinheit ohne zusätzliche äußere Verrohrungen. Alle erforderlichen Leitungen für die Reaktanten, die Elektrolytflüssigkeit und das Kühlmedium sind in dieser Baueinheit inteeriert Nach außen hat die Baueinheit Anschlüsse für die gasförmigen Reaktanten, wie Wasserstoff und Sauerstoff, für das Kühlmedium, zur Entfernung des gebildeten Reaktionswassers und zur Entlüftung, d. h. zur Entfernung des Restgases, sowie Stromanschlüsse.

Ein kennzeichnendes Merkmal der Baueinheit ist der abgeschlossene Elektrolytkreislaui, der auch zur Wärme- und Wasserausbringung dient Zum Umwälzen der Elektrolytflüssigkeit dient beispielsweise eine Kreiselpumpe mit Direktantrieb durch einen kollektorlosen

ίο Gleichstrom-Spaitrohrmotor. Die Pumpe saugt aus einem Vorratsbehälter drucklos Elektrolytflüssigkeit an und fördert diese direkt in die Brennstoffbatterie, wo alle Brennstoffelemente parallel durchströmt werden und dabei die Elektrolytflüssigkeit durch die Reaktions wärme aufgeheizt und durch das entstehende Reak tionswasser verdünnt wird. Nach Durchströmen der Brennstoffbatterie wird die Elektrolytflüssigkeit parallel sowohl durch einen Elektrolytregenerator als auch durch einen Kühler geführt Im Elektrolytregenerator wird der Elektrolytflüssigkeit durch Verdampfen von Wasser sowohl das Reaktionswasser als auch ein Teil der Reaktionswärme entzogen. Die restliche Reaktionswärme wird im Kühler an das Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser, abgegeben. Da in der Brennstoffbat- terie mehr Reaktionswärme entsteht als zur Ausbringung des Reaktionswassers erforderlich ist, wird bei einer Temperaturregelung mehr Wasser aus der Elektrolytflüssigkeit entfernt als Reaktionswasser gebildet wurde, d. h. die Konzentration der Elektrolytflüssig- keit würde kontinuierlich steigen. Deshalb ist für die Regelung der Elektrolytkonzentration ein zusätzliches Schaltglied vorgesehen, das den im Elektrolytregenerator abgereicherten Reaktionswasserstrom entweder bei zu niederer Konzentration nach außen abgibt oder bei zu hoher Konzentration wieder in den Elektrolytkreislauf zurückführt Dabei ist wichtig, daß sich Konzentrationsschwankungen, da sie Volumenschwankungen zur Folge haben, nur in kleinen Grenzen bewegen. Außerdem müssen Verluste an Elektrolytflüssigkeit aus Gründen der Wartungsfreiheit vermieden werden. Derartige Verluste an Elektrolytflüssigkeit sind möglich durch Vorhandensein von Elektrolytflüssigkeit im ausgebrachten Reaktionswasser und durch Elektrolyttröpfchen in den Reaktionsgasen oder deren Inertgas- anteilen innerhalb der Brennstoffbatterie, was durch Übertritt von Elektrolytflüssigkeit in die Gasräume erfolgen kann. Der Verlust an Elektrolytflüssigkeit wird einerseits dadurch verhindert daß das Reaktionswasser erst dann nach außen abgegeben wird, wenn es eine

neutrale Reaktion zeigt was durch eine Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit möglich ist. Andererseits wird der Verlust an Elektrolytflüssigkeit durch Vorhandensein in den Reaktionsgasen bzw. deren Inertgasanteilen dadurch vermieden, daß die unverbrauchten Reaktionsgase bzw. deren Inertgasanteile, d.h. das Restgas, nach Durchströmen des letzten Brennstoffelementes nicht direkt an die Umgebung abgegeben werden, sondern vorher in den Vorratstank für die Elektrolytflüssigkeit zurückgeführt und dann nach außen abgegeben werden.

Von besonderer Bedeutung bei Brennstoffzellenaggregaten ist die Schräglagenunempfindlichkeit Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von Brennstoffzellenaggregaten in Traktionssystemen. Da sich etwa 90% der Elektrolytflüssigkeit in den Elektroiyträumen der Brennstoffbatterie, das Elektrolytregenerators und des Kühlers befinden, würde bei stillgesetzter Anlage oder im Störungsfall, d. h. bei stehender Elektrolytpum-

pe, bei direkter Anströmung der Batterie über die Pumpe und eine Druckleitung, d. h. bei einer direkten Verbindung des Vorratstankes mit der Batterie im Boden des Aggregates, bei Schräglage des Aggregates der gesamte Elektrolytvorrat in den Tank zurückströmen und durch die Entlüftungsöffnung des Tankes ausfließen. Dies wird durch eine Leitungsführung verhindert, die im folgenden erläutert werden soll.

Die Elektrolytflüssigkeit wird zunächst in einem Elektrolytkanal im oberen Teil des Gehäuses des Brennstoffzellenaggregates vom Vorratstank aus durch das gesamte Aggregat an dasjenige Ende des Aggregates gefördert, an dem die Brennstoffbatterie angeordnet isL Dort wird die Elektrolytflüssigkeit, beispielsweise in der Endplatte, in den unteren Teil des Aggregates geführt und dann von unten nach oben parallel durch die einzelnen Brennstoffelemente geleitet. Beim Vorhandensein mehrerer Brennstoffbatterien im Aggregat ist dabei für jede einzelne Batterie im unteren Teil des Gehäuses ein separater Hauptkanal vorgesehen. Nach Durchströmen der Brennstoffelemente wird die Elektrolytflüssigkeit im oberen Teil der Batterie zum batterieseitigen Ende des Aggregates zurückgeführt, gegebenenfalls, d.h. beim Vorhandensein mehrerer Batterien, in mehreren Hauptkanälen. Am Ende des Aggregates wird die Elektrolytflüssigkeit gesammtelt, umgelenkt und in einem gemeinsamen Kanal dem Elektrolytregenerator zugeführt Dort wird sie erneut in den unteren Teil des Aggregates geleitet, und zwar in einer Umlenkzelle, und durchströmt dann von unten nach oben parallel sowohl den Elektrolytregenerator als auch den Kühler. Sind bei Brennstoffzellenaggregaten großer Leistung sowohl im Elektrolytregenerator als auch im Kühler eine große Anzahl von Elektroiyträumen vorhanden, so ist es vorteilhaft zur Erzielung einer Gleichverteilung der Strömung die Elektrolyträume sowohl im Elektrolytregenerator als auch im Kühler — entsprechend der Anordnung in mehreren Brennstoffbatterien — zu zwei oder mehreren Einheiten zusammenzufassen, die mit separaten Kanälen zur Zu- und Abführung der Elektrolytflüssigkeit versehen sind. Nach Durchströmen des Elektrolytregenerators und des Kühlers wird die Elektrolytflüssigkeit gesammelt in einem gemeinsamen Kanal in den Elektrolytregenerator zurückgeführt dort erneut umgelenkt und schließ- lieh in den Vorratstank zurücktransportiert Auf diese Weise wird im Störungsfall oder bei stillgesetzter Batterie das Leerlaufen der Elektrolyträume und das damit verbundene Auslaufen der Elektrolytflüssigkeit aus dem Vorratstank bei Schräglage des Brennstoffzellenaggregates verhindert

Schließlich könnten auch bei stehender Pumpe und bei unter Druck stehenden Gasräumen durch Leckagen Reaktionsgase aus den Gasräumen in die Elektrolyträume übertreten und die Elektrolytflüssigkeit aus der Brennstoffbatterie in den Vorratstank zurückdrücken, wodurch diese dann durch die Entlüftungsleitung entweichen könnte. Dies wird beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaggregat durch eine Bypass-Leitung verhindert, die den Batterieausgang, d. h. eine Umlenkzelle für die Elektrolytflüssigkeit, die zwischen der Brennstoffbatterie und dem Elektrolytregenerator angeordnet ist, mit dem Vorratstank verbindet Dadurch kann in die Elektrolyträume übergetretenes Gas aus der Batterie entfernt werden, ohne daß die angegebenen Störungen auftreten.

Im stillgesetzten Zustand ist das Brennstoffzellenaggregat durch Membranventile von den Druckgasleitun gen für die Reaktionsgase getrennt. Soll das Aggregat in Betrieb genommen werden, so wird durch ein pneumatisches, von Hand betätigtes Ventil über eine Steuerleitung und ein Reduzierventil eines der Reaktionsgase, beispielsweise Wasserstoff, in den Elektrolytregenerator geleitet und zwar in die Kondensationsräume der Wasserabreicherungseinheiten. Dadurch entsteht in diesen Kondensationsräumen ein Gasdruck, der die Asbestmembranen, die die Kondensationsräume von den Elektrolyträumen trennen und zur Diffusion des Reaktionswassers aus der Elektrolytflüssigkeit dienen, gegen den Druck der Elektrolytflüssigkeit, der beim Einschalten der Batterie auftritt abstützt Bei einem erreichten Mindestdruck, beispielsweise etwa 1,3 bar, wird im Steuerungsteil des Brennstoffzellenaggregates für jeden der beiden Reaktanzen ein Membranventil geöffnet, wodurch die beiden Reaktanten in das Aggregat einströmen können. Durch die dann einsetzende chemische Reaktion wird eine Spannung erzeugt. Beim Erreichen einer unteren Grenzspannung wird über ein Magnetventil der Steuerdruck für die beiden Membranventile eingeschaltet und das pneumatische Ventil wird abgeschaltet Das Brennstoffzellenaggregat ist nun betriebsbereit und regelt sich automatisch. Um ein selbsttätiges Einschalten des Brennstoffzellenaggregates infolge schadhafter Membranventile auszuschließen, kann das pneumatische Ventil mit einem elektrischen Ventil gekoppelt werden.

Vorteilhaft kann vor das Membranventil für das Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, eine Drossel vorgeschaltet sein, wodurch dieses Membranventil später geöffnet wird als das Membranventil für den Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff. Dadurch wird erreicht daß zuerst der Brennstoff und dann erst das Oxidationsmittel in die Brennstoffbatterie strömt Wird die Batterie unter Last hochgefahren, so würde nämlich bei gleichzeitigem Einströmen von Wasserstoff und Sauerstoff in die Gasräume der Brennstoffelemente möglicherweise ein kritisches Wasserstoffpotential, — 78OmV gemessen gegen Hg/HgO, unterschritten, was zu einer Schädigung der Wasserstoffelektroden führen kann. Dies wird durch die Verwendung der Drossel vermieden.

Beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaggregat sind sämtliche Steuerungshilfsgeräte, wie Ventile, in einer gemeinsamen Grundplatte eingebaut die sich an den Elektrolytvorratstank anschließt und das Aggregat auf der einen Seite begrenzt

Die Reaktionsgase werden im Brennstoffzellenaggregat durch die Brennstoffbatterie, d.h. durch die Gasräume, kaskadenförmig geführt Dabei sammeln sich inerte Gasanteile in der letzten Kaskadenstufe, die beispielsweise aus einer Zelle besteht an, wodurch die Spannung der letzten Kaskadenstufe absinkt Durch Vergleich mit der mittleren Zellenspannung wird ein Signal erhalten, das elektronisch zum öffnen eines Ventils verwendet wird, wodurch die inerten Anteile ausgespült werden und die Spannung wieder ansteigt Der Ausfall der Spüleinrichtung ist durch die Überwachung der Batteriespannung gesichert Spricht die Temperatur- oder die Spannungsüberwachung an, so schließt sich das bereits erwähnte Magnetventil und entlüftet gleichzeitig den Steuerkreis. Dadurch schließen sich die Membranventile, die Spülventile öffnen sich und die Spannung bricht zusammen. Durch die Verwendung der in den Reaktionsgasen enthaltenen Druckenergie und durch die pneumatisch-elektrische Steuerung kann auf eine elektrische Hilfsenergie zum

Starten des Brennstoffzellenaggregates verzichtet werden.

Anhand zweier Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregates mit den Elektrolytleitungen und

Fig. 2 den Stcuerungsteil und die Gasleitungen der beispielhaften Ausführungsform dieses Brennstoffzellenaggregates.

In der schematischen Fig. 1 ist mit 10 das Brennstoffzellenaggregat bezeichnet. In diesem Brennstoffzellenaggregat sind, in dieser Reihenfolge, folgende Einzelteile in einer Baueinheit angeordnet: Ein Steuerungsteil 11, ein Vorratstank 12 für den Elektrolyten, ein _1S Kühler 13, eine Druckschleuse 14, ein Elekirolytregcnerator 15 und zwei Brennstoffbatterien 16 und 17. Bei 18 und 19 werden dem Brennstoffzellenaggregat auf der Seite des Steuerungsteiles die Reaktionsgase, Wasserstoff bzw. Sauerstoff, zugeführt. Das Restgas, d. h. die unverbrauchten Reaktionsgase bzw. deren lnertgasanteile, verläßt das Brennstoffzellenaggregat durch die Leitung 20. Die Leitungen 21 und 22 dienen der Zuführung bzw. Ableitung des Kühlmediums. Durch die Leitung 23 kann das bei der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffbatterien entstehende Reaktionswasser aus dem Aggregat abgeführt werden. Die Steuerung erfolgt mit Hilfe des Magnetventils 24, das auch eine Rückführung des Reaktionswassers über die Leitung 25 in den Vorratstank 12 bewirken kann. Die Elektrolytpumpe 26 transportiert die Elektrolytflüssigkeit im Kreislauf durch das Brennstoffzellenaggregat. Die Elektrolytflüssigkeit nimmt dabei in der durch Pfeile angedeuteten Weise den Weg über den Elektrolytkanal 27, tritt in zwei Hauptkanäle 28 und 29 ein und durchströmt die Elektrolyträume der einzelnen Brennstoffelemente (die in der Figur nicht dargestellt sind) der Brennstoffbatterien 16 und 17 durch Leitungen 30. Nach Durchströmen der Brennstoffelemente wird die Elektrolytflüssigkeit in den Hauptkanälen 31 und 32 zum batterieseitigen Ende des Aggregates zurückgeführt, gesammelt und in einen gemeinsamen Kanal 33 dem Elektrolytregenerator 15 zugeführt Dort wird die Elektrolytflüssigkeit in einer Umlenkzelle, die in der Figur nicht dargestellt ist, abwärts geleitet. Der Elektrolytregenerator 15 enthält in der Figur nicht dargestellte Wasserabreicherungseinheiten, die jeweils aus einem Elektrolytraum, einem davon durch eine Asbestmembran abgetrennten Kondensationsraum und einem vom Kondensationsraum durch eine nicht poröse Kondensationsfläche abgetrennten Kühlraum bestehen. Wie durch die Bezugsziffern 35 angedeutet ist, durchströmt der Elektrolyt, ausgehend von einer gemeinsamen Leitung 34, parallel die Elektrolyträume sowohl des Elektrolytregenerators als auch des Kühlers. Im Kühler 13 sind dabei nebeneinander Elektrolyträume und Kühlräume angeordnet Durch die Kühlräume fließt das Kühlmedium, das die Elektrolytflüssigkeit auf der gewünschten Temperatur hält Nach Durchströmen der Elektrolyträume des Elektrolytregenerators und des Kühlers wird die Elektrolytflüssigkeit in einem gemeinsamen Kanal 36 in den Elektrolytregenerator zurückgeführt, dort umgelenkt und schließlich in den Vorratstank 12 zurücktransportiert
Das in den Kondensationsräumen des Elektrolytregenerators kondensierte Reaktionswasser wird mit Hilfe eines dem Elektrolytregenerator, d. h. den Kondensationsräumen der Wasserabreicherungseinheiten, zugeführten Hilfsgases in die Druckschleuse transportiert. Die Druckschleuse kann aus einem Gasraum bestehen, der durch ein flüssigkeitsdurchlässiges Asbestdiaphragma von einem Flüssigkeitsraum getrennt ist. Das Reaktionswasser gelangt von den Kondensationsräumen der Wasserabreicherungseinheiten (im Elektrolytregenerator) in den Gasraum der Druckschleuse, wird mit Hilfe des Hilfsgases durch die Asbestmembran in den Flüssigkeitsraum gedrückt, gelangt von dort über die Leitung 37 zum Aggregatende und wird in der beschriebenen Weise mit Hilfe des Magnetventiles entweder nach außen abgegeben oder in den Vorratstank für die Eleklrulylflüssigkeit zurückgeführt. Zur Überwachung der Elektrolytflüssigkeit dienen ein Konzentrationsfühler 38 und ein Temperaturfühler 39, die beide am Vorratstank 12 angebaut sind. Eine Bypass-Leitung 40 verbindet den Ausgang der Brennstoffbatterie 16, d. h. die nicht dargestellte Umlenkzelle, mit dem Vorratstank 12. In der Bypass-Leitung kann eine Drossel mit kleinem Querschnitt oder ein Ventil angeordnet sein, das beim Betrieb des Aggregates geschlossen, beim Stillstand geöffnet ist.

In F i g. 2 sind die Steuerungshilfsgeräte dargestellt, die der Anfahrsteuerung des Brennstoffzellenaggregates dienen, und die auch im Steuerungsteil 11 untergebracht sind. Gleiche Teile sind in Fig.2 mit denselben Bezugsziffern versehen wie in Fig. 1. Die Vorrichtungen im Steuerungsteil 11, die bereits in F i g. 1 dargestellt wurden, sind der Übersichtlichkeit halber in F i g. 2 nicht mehr dargestellt.

Durch eine Leitung 51 wird dem Brennstoffzellenaggregat 10 Wasserstoff und durch eine Leitung 52 Sauerstoff zugeführt. Bei Inbetriebnahme des Aggregates wird das pneumatische Ventil 53 betätigt, wodurch der Wasserstoff über die Steuerleitung 54, das Magnetventil 55, das Reduzierventil 56 und die Leitung 57 in die Kondensationsräume des Elektrolytregenerators 15 strömt. Bei Erreichen eines Mindestdruckes öffnen die Membranventile 58 und 59 in den Zufuhrleitungen für Wasserstoff bzw. Sauerstoff, wodurch diese Reaktionsgase durch die Leitungen 65 und 66 in die Batterie einströmen können. Dazu sind die Membranventile 58 und 59 über Leitungen 60 bzw. 61 an die Leitung 57 angeschlossen. In der Leitung 61 ist dabei eine Drossel 62 angeordnet, wodurch das Membranventil 59 später geöffnet wird als das Membranventil 58. Erreicht die Spannung des Brennstoffzellenaggregates eine untere Grenzspannung, so wird der Steuerdruck für die Membranventile 58 und 59 über das Magnetventil 55 eingeschaltet und das pneumatische Ventil 53 kann gelöst werden. Das Aggregat ist dann betriebsbereit und regelt sich automatisch. Die Reaktionsgase durchströmen die einzelnen Brennstoffelemente kaskadenförmig. Ober die Ventile 63 und 64 in den Gasabführungsleitungen 67 und 68 wird die Ausbringung der unverbrauchten Reaktionsgase bzw. deren Inertgasanteile aus dem Brennstoffzellenaggregat gesteuert Vor dem Verlassen des Brennstoffzellenaggregates werden diese Gase jedoch, wie bereits beschrieben, dem Elektrolytvorratsbehälter zugeführt und dann als Restgas aus dem Aggregat entfernt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brennstoffzellenaggregat zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umsetzung von gasförmigen Reaktanten und einem flüssigen Elektrolyten, der im Kreislauf geführt ist, mit einer aus einer Mehrzahl von Brennstoffelementen aufgebauten Brennstoffbatterie, einem die äußere Gestalt eines Brennstoffelementes aufweisenden, am Ende der Brennstoffbatterie angeordneten Elektrolytregenerator, einer Druckschleuse und einem Kühler, dadurch gekennzeichnet, daß das Aggregat (10) in kompakter Bauweise in einem gemeinsamen Gehäuse wenigstens eine Brennstoffbatterie (16, 17), den Elektrolytregenerator (15), die Druckschleuse (14), den Kühler (13), einen Vorratstank (12) und einen Steuerungsteil (11) enthält, wobei die einzelnen Bauteile in dieser Reihenfolge angeordnet sind und gleiche Querschnittsabmessungen haben, daß sämtliche Leitungen und Verbindungen zwischen den Einzelteilen des Aggregats innerhalb des gemeinsamen Gehäuses untergebracht sind, daß die Zu- und Abführung der gasförmigen Reaktanten (18,19; 20) und eines Kühlmediums (21; 22) auf derjenigen Seite des Aggregats (10) erfolgt, an der der Steuerungsteil

(11) angeordnet ist, daß im Elektrolytkreislauf der Vorratstank (12) mit der Brennstoffbatterie (16, 17) verbunden und diese über den Elektrolytregenerator (15) und den Kühler (13) wieder an den Vorratstank

(12) angeschlossen ist, wobei die Elektrolytflüssigkeit den Elektrolytregenerator (15) und den Kühler

(13) parallel durchströmt, daß zwischen der Brennstoffbatterie (16) und dem Vorratstank (12) eine Bypass-Leitung (40) angeordnet ist, daß im Steuerungsteil (U) in den Zuführungsleitungen (51,52) für die gasförmigen Reaktanten Membranventile (58, 59) angeordnet sind, daß eine Steuerleitung (54) mit einem pneumatischen Ventil (53) und einem Reduzierventil (56) zur Zuführung eines der gasförmigen Reaktanten von der Zuführungsleitung (51) zum Elektrolytregenerator (15) vorgesehen ist, daß in der Steuerleitung (54) ein Magnetventil (55) angeordnet ist, das auf eine untere Grenzspannung der Brennstoffbatterie anspricht, und daß die Membranventile (58,59) in den Zuführungsleitungen (51, 52) für die gasförmigen Reaktanten an das Magnetventil (55) angeschlossen sind.

2. Brennstoffzellenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Membranventil (59) in der Zuführungsleitung (52) für das gasförmige Oxidationsmittel und dem Magnetventil (55) eine Drossel (62) vorgesehen ist