DE2836464C3 - Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffbatterie - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

— die O₂-Steuerleitung (17) an die hb-Arbeitsleitung (11) angeschlossen ist, wobei sie zwischen dem !^-Membranventil (13) und dem Batterieeingang in die H₂-Arbeitsleitung(ll) mündet,

— in der OrSteuerleitung (17) ein eine Entlüftungsstellung aufweisendes Ein- bzw. Ausschaltventil (18) für Sauerstoff (O₂-Steuerventil) angeordnet ist und

— der öffnungsdruck des O₂-Membranventils (14) größer ist als derjenige des H₂-Membranventils (13).

2. H₂/O₂-Brennstoffbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 an die OrSteuerleitung (17) — zwischen dem O₂-Steuerventil (18) und der Mündung in die H₂-Arbeitsleitung (11) — über ein Reduzierventil (21) eine Druckleitung (19) zu einem Elektrolytregenerator (20) angeschlossen ist

3. ^/(^-Brennstoffbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der H₂-Arbeitsleitung (11) am Batterieausgang und der O₂-Arbeitsleitung (12) am Batterieeingang eine Verbindungsleitung (22) vorgesehen ist, in der wenigstens ein lediglich während des Abschaltvorganges geöffnetes Ventil (23,24) angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft eine H₂/O₂-Brennstoffbatterie mit einer Arbeitsleitung für Wasserstoff (H₂-Arbeitsleitung), einer Arbeitsleitung für Sauerstoff (O₂-Arbeitsleitung), einem Membranventil in der H₂-Arbeitsleitung (HrMembranventil), einem Membranventil in der OrArbeitsleitung (02-Membranventil), einer Steuerleitung für das H₂-Membranventil (H₂-Steuerleitung), einer Steuerleitung für das O₂-Membranventil (OrSteuerleitung) und einem eine Entlüftungsstellung aufweisenden Ein- bzw. Ausschaltventil für Wasserstoff in der H₂-Steuerleitung(H₂-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 29134 bekannt. Bei diesem Brennstoffzellenaggregat sind in den Zuführungsleitungen für die gasförmigen Reaktanten, den Arbeitsleitungen, Membranventile angeordnet.

Ferner ist eine Steuerleitung mit einem pneumatischen 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 Grenzspannung 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 Ha/OrBrennstoffzellenaggregaten 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 Steuerleitting von der Drosseldüse bis zum 0₂-Membranventil, einschließlich des Membranraumes, ist nämüch relativ klein und deshalb wird — durch das einströmende HrSteuergas — der Öffnungsdruck des O₂-Membranventils sehr schnell erreicht Wird nun bezüglich des Öffnungszeitpunktes von H₂- und OrMembranventil ein merklicher Unterschied angestrebt, dann darf der Durchmesser der Drosseldüse lediglich etwa 0,03 bis 0,1 mm betragen, je 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 strömen würde, wenn — im Defektfall — sich das H₂-Membranventil nicht öffnet Gerade dies soll aber, wie vorstehend erläutert wurde, vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine H₂/O₂-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 länger in die Batterie einströmt als der Sauerstoff.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß

— die OrSteuerleitung an die H₂-Arbeitsleitung angeschlossen ist wobei sie zwischen dem ^-Membranventil und dem Batterieeingang in die H₂-Arbeitsleitung mündet

— in der OrSteuerleitung ein eine Entlüftungsstellung aufweisendes Ein- bzw. Ausschaltventil für Sauerstoff (O₂-Steuerventil) angeordnet ist und

— der öffnungsdruck des O₂-Membranventils größer ist als derjenige des H₂-Membranventils.

Unter »Brennstoffbatterie« sollen im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung nicht nur einzelne, aus einer Reihe von Brennstoffelementen bestehende Batterien, sondern auch Brennstoffzellenaggregate und vollständige -anlagen verstanden werden. Mit dem ■> Begriff »Wasserstoff« (H2) wird nicht nur reiner Wasserstoff bezeichnet sondern darunter sind auch wasserstoffhaltige Gemische zu verstehen, die sich zum Betrieb von Brennstoffelementen eignen, wie H2/CO- und H₂/CO2-Gemische. Entsprechend bedeutet »Sauerstoff« (O₂) nicht nur reinen Sauerstoff, sondern auch sauerstoffhaltige Gase, insbesondere Luft

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie strömt der Wasserstoff stets vor dem Sauerstoff in die Batterie ein. Der Druckanstieg des Wasserstoffs eilt dabei gegenüber demjenigen des Sauerstoffs um einen gewissen Betrag voraus, bei 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 O₂-Steuerleitung hinter dem H₂-Membranventil in die H2-Arbeitsleitung mündet, d.h. unmittelbar vor deren Eintritt in die Batterie. Auf diese Weise wird zusammen mit dem höheren öffnungsdruck des 02-Membranventils gewährleistet daß sich zuerst die Wasserstoffräume der Batterie bis zum Öffnungsdruck des CVMembranventils mit Brennstoff füllen, ehe 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 absinkt ohne daß die Batterie abgeschaltet wird. Bei einem Druckabfall des Wasserstoffes bis auf den ^ Schließdruck des O₂-Membranventils unterbricht dieses Ventil nämlich den Sauerstoffzufluß zur Batterie und diese wird abgeschaltet. Es wird damit auch kein besonderes Überwachungselement, beispielsweise ein Druckwächter, für die H₂- Drucküberwachung benötigt, ·*< > das — bei einem Druckabfall des Wasserstoffs — über das 02-Steuerventil das H₂-Steuergas abschalten und durch Entlüftung auf den Schließdruck des Oi-Membranventils absenken müßte.

Das 02-Steuerventil gewährleistet bei der erfindungs- ^ gemäßen Brennstoffbatterie schließlich noch, daß beim Abschalten der Batterie Wasserstoff langer in die Batterie einströmt als Sauerstoff. Beim Abschalten des 02-Steuerventils (Entlüftungsstellung) wird nämlich das 02-Membranventil entlüftet und damit geschlossen. ^r>o 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 ^b0 werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen H₂/O2-Brennstoffbatterie sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur, ^6Γ> in der eine besonderes bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffbatterie dargestellt ist soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die in der Figur lediglich schematisch dargestellte ^^-Brennstoffbatterie 10 weist beispielsweise einen 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 Arbeitsleitungen 11 bzw. 12 zugeführt In der Η2-ΑΓ-beitsleitung 11 ist ein H₂-Membranventil 13 angeordnet und in der O₂-Arbeitsleitung 12 ein 02-Membranventil 14. Die beiden Membranventile 13 und 14 werden pneumatisch betätigt In einer hb-Steuerleitung 15, die das H₂-Membranventil 13 mit einer — strömungsmäßig

— davor liegenden Stelle der H₂-Arbeitsleitung 11 verbindet, ist ein !-^-Steuerventil 16 angeordnet. Eine 02-Steuerleitung 17, in der ein Ein- bzw. Ausschaltventil 18 für Sauerstoff, d. h. ein O₂-Steuerventil, angeordnet ist, verbindet das 02-Membranventil 14 mit der H2-Arbeitsleitung 11. Die O₂-Steuerleitung 17 mündet dabei an einer Stelle zwischen dem !-^-Membranventil 13 und dem Batterieeingang in die H₂-Arbeitsleitung 11, d. h. strömungsmäßig hinter dem H₂-Membranvenul und vor dem Eintritt der H2-Arbeitsleitung in die Batterie. Als Steuerventile 16 und 18, die beide eine Entlüftungsstellung aufweisen, werden 3-Wege-Elektromagnetventile verwendet; sie sind im allgemeinen mit einer Handbetätigung versehen. Vorzugsweise werden als Steuerventile Elektromagnetventile der in der DE-OS 27 36 032 vorgeschlagenen Art verwendet. Die

— in der Figur dargestellte — Ruhestellung der Steuerventile 16 und 18 beinhaltet gleichzeitig die Entlüftungsfunktion für die Membranräume der zugehörigen Mernbranventile 13 und 14.

Im Bereich zwischen dem O₂-Steuerventil 18 und der Mündung in die H2-Arbeitsleitung 11 ist an die 02-Steuerleitung 17 eine Druckleitung 19 angeschlossen, die die O2-Steuer!eitung mit einem Elektrolytregenerator 20 verbindet; der Elektrolytregenerator in Form eines sogenannten Spaltverdampfers kann einen Aufbau aufweisen, wie er aus der DE-PS 21 29 134 bekannt ist. In der 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 02-Arbeitsleitung, die strömungsmäßig vor der Batterie liegt, d. h. zwischen dem O2-Membranventil 14 und dem Batterieeingang, mit einer Stelle der H2-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-Elektromagnetventilß. Am Batterieausgang sind in den Arbeitsleitungen 11 und 12 schließlich noch sogenannte Spülventile 25 und 26 vorhanden; das Spülventil 25 in der H2-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 ^-Ventilen 13 und 16 an, der Sauerstoff am geschlossenen O2-Membranventil 14. Durch eine mechanisch gekoppelte Handbetätigung oder durch eine elektrische Fernbedienung werden die beiden Steuerventile 16 und 18 sowie das Spülventil 26 gleichzeitig geöffnet. Über das H2-Steuerventil 16 strömt dann Wasserstoff auf die Membran des H2-Membranventils 13. Bei einem Überdruck von etwa 0,5 bar öffnet dieses Ventil und gibt dem Wasserstoff den Weg in die Batterie und in die 02-Steuerleitung frei. Damit steigt sowohl der Druck in den Wasserstoffräumen der Batterie als auch in der O₂-Steuerleitung. Über das Spülventil 26 entweicht der — von der vorangegangenen Betriebsphase (bzw. des Abschaltvorganges) her — in den Sauerstoffräumen als Schutzgas für die Elektroden vorhandene Wasserstoff aus der Batterie.

Der sich in der 02-Steuerleitung 17 über das offene 02-Steuerventil 18 aufbauende Hi-Steuerdruck bewirkt bei einem Überdruck von ca. 0,7 bar ein öffnen des 02-Membranventils 14. Daraufhin strömt Sauerstoff — gegenüber dem Wasserstoff zeitlich verzögert — in die Brennstoffbatterie, d. h. in die Sauerstoffräume, ein und entfernt darauf — über das geöffnete Spülventil 26 — den restlichen Wasserstoff. Infolgedessen baut sich eine Batteriespannung auf, die dann auch das Offenhalten der beiden Steuerventile 16 und 18 übernimmt, da deren Spulen von der Batteriespannung gespeist werden. Die Handbetätigung der beiden Steuerventile kann nun gelöst werden, wobei das nicht direkt an der Batteriespannung liegende Spülventil 26 geschlossen wird.

Der Ausschallvorgang spielt sich folgendermaßen ab. Durch einen elektrischen Unterbrecher des Ausschalters bzw. durch das Ansprechen einer Überwachungsfunktion wird der Stromkreis des 02-Steuerventils 18 unterbrochen. Daraufhin schließt dieses Ventil und geht in die '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. Gleichzeitig mit dem Umschalten des 02-Steuerventils 18 wird das Spülventil 26 für Sauerstoff an Spannung gelegt und geöffnet, wodurch Sauerstoff aus der Batterie abgelassen 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 Batteriespar.r.ur.g. bis sie. beispielsweise bei einem Wert von ca. 2 V. die Schließspannung des H₂-Steuerventils 16 und des Spülventils 26 für Sauerstoff erreicht. Erst zu diesem Zeitpunkt schließt dann das Ventil 16, entlüftet den Membranraum des H2-Membranventils 13 und löst dessen Schließvorgang aus.

Bei einem Druckabfall in der H2-Arbeitsleitung wird die H2-Drucküberwachung durch die vorstehend erläu-

^r> terte Anordnung in der Weise übernommen, daß der absinkende Wasserstoffdruck in der H2-Arbeitsleitung und der H2-Steuerleitung bei einem Überdruck von ca. 0,6 bar das Schließen des 02-Membranventils bewirkt, womit die Sauerstoffzufuhr zur Batterie unterbrochen wird. Dabei kommt der höhere Schließdruck des 02-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

ii anstehen soll.

Die beiden Ventile 23 und 24 in der Verbindungsieitung 22 zwischen der H₂- und der O₂-Arbeitsleitung sind sowohl im Ruhe- als auch im Betriebszustand geschlossen. Beim Betätigen der Aus-Taste bzw. beim Ansprechen einer Sicherheitsfunktion werden die — pneumatisch in Reihe geschalteten — Ventile 23 und 24 sowie das Spülventil 26 für Sauerstoff über eine Steuerelektronik geöffnet. Sie bleiben dann solange geöffnet, bis die in der Abschaltphase absinkende Batteriespannung die

2") 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 02-Membranventils 14 und durch das gleichzeitige öffnen des 02-Spülventils 26 — im Vergleich zum Wasserstoffdruck — abgesunken ist.
Nachdem sämtliche Ventile (13, 14, 16, 18, 23, 24, 25

r> und 26) nach Erreichen ihrer Schließspannung geschlossen sind, besteht in allen Gasräumen der Batterie ein gewisser Wasserstoffüberdruck. Damit wird einerseits der Gefahr der Oxidation der Katalysatoren vorgebeugt und andererseits wird ein Fluten der Gasräume mit

■ni Elektrolytflüssigkeit verhindert. Geflutete Gasräume hätten nämlich zur Folge, daß bei jedem Einschaltvorgang durch das einströmende Gas sämtliche Gasräume erst von der Elektrolytflüssigkeit befreit werden müßten, was zu Druckschwankungen führen würde, die

·'■> sich für die Asbestdiaphragmen schädlich auswirken könnten.

Das Reduzierventil 21 wird von der O2-Steuerleitung 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 Elektrolytregenerators zugeleitet Der reduzierte Gasdruck hat dabei die Aufgabe, als Gegendruck zum Elektrolytpumpendruck eine einseitige Druckbelastung der Asbestdiaphragmen des Elektro-

^Γή lytregenerators zu verhindern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. H₂/O₂-Brennstoffbatterie mit

— einer Arbeitsleitung für Wasserstoff (H₂-Arbeitsleitung),

— einer Arbeitsleitung für Sauerstoff (O_rArbeitsleitung),

— einem Membranventil in der H₂-Arbeitsleitung (^-Membranventil),

— einem Membranventil in der O₂-Arbeitsleitung (O₂-Membranventil),

— einer Steuerleitung für das !^-Membranventil (H2-Steuerleitung),

— einer Steuerleitung für das O₂-Membranventil (O₂-Steuerleitung) und

— einem eine Entlüftungsstellung aufweisenden Ein- bzw. Ausschaltventil für Wasserstoff in der H₂-Steuerleitung(H₂-Steuerventil),