DE1275175B - Anlage zur Konstanthaltung einer vorgegebenen Ausgangsspannung eines Brennstoffelementes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIm

Deutsche Kl.: 21b-14/01

P 12 75 175.6-45 (U 9420)

27. November 1962

14. August 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Konstanthaltung einer vorgegebenen Ausgangsspannung eines Brennstoffelementes durch Steuerung der Zirkulation des Wasserstoffes, der dem Brennstoffelement im Überschuß zugeführt wird, mit einem Abscheider, in welchem die Reaktionsprodukte in Form von Wasser von dem überschüssigen Wasserstoff getrennt werden, und einer Pumpe, die die Zirkulation des Wasserstoffes in der Anlage aufrechterhält und den zirkulierenden überschüssigen Wasserstoff wieder in die Wasserstoffversorgungsleitung zurückführt.

Es sind bereits Anlagen zum Betrieb von Brennstoffelementen bekannt, deren Brennstoffzirkulation zum Abführen der Reaktionsprodukte (Wasser) intermittierend unterbrochen wird, nämlich immer dann, wenn der Füllstand im Kühler eine bestimmte Höhe überschreitet. Wenn dieser Füllstand erreicht ist, können keine Reaktionsprodukte aus dem Element mehr abgeführt werden, und infolge der Volumenzunahme in dem Element wächst der Druck in dem Element, wodurch die Entleerung des Kühlers hervorgerufen wird und das Spiel wieder von neuem beginnt. Dabei ist es jedoch nicht möglich, die Elementtemperatur und damit die Ausgangsspannung des Elementes konstant zu halten, die Konstanthaltung der Ausgangsspannung ist jedoch bei den meisten Anwendungsarten von Brennstoffelementen von größter Wichtigkeit. Bei der bekannten Anlage ist die während jedes Spiels sich wiederholende Volumenzunähme jeweils mit einem unerwünschten und lästigen Abfall der Ausgangsspannung begleitet.

Des weiteren sind Betriebsanlagen für Brennstoffelemente vorgeschlagen worden, bei denen zur Kühlung des Brennstoffelementes die Wasserstoffzirkulation jeweils dann in Betrieb genommen wird, wenn die Temperatur in dem Brennstoffelement einen bestimmten Wert erreicht hat. Durch diese Anlagen wird zwar eine wirkungsvolle Regelung der Temperatur in dem Brennstoffelement erreicht, wobei jedoch der Nachteil in Kauf genommen werden muß, daß dem Element mehr Wasserdampf entnommen wird, als unter normalen Arbeitsverhältnissen gebildet wird, welches durch eine zusätzliche Vorrichtung wieder zugeführt werden muß. Durch diese zusätzliche Vorrichtung wird die gesamte Anlage ebenfalls bedeutend aufwendiger gestaltet.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, die elektrische Ausgangsspannung des Elementes durch Regelung der Elementtemperatur konstant zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Kühlung des Wasserstoffes und des Anlage zur Konstanthaltung einer vorgegebenen
Ausgangsspannung eines Brennstoffelementes

Anmelder:

United Aircraft Corporation,

East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

George H. Davis,

Windsor Locks, Conn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 30. November 1961
(155 949)

Wasserdampfes zwischen dem Brennstoffelement und dem Abscheider ein Wärmeaustauscher angeordnet ist, daß die Pumpe und die Wasserstoffversorgungsleitung durch eine Rückleitung für den überschüssigen Wasserstoff verbunden sind, die durch den Wärmeaustauscher hindurchgeht, und daß um den Wärmeaustauscher zwischen der Ausgangsseite der Pumpe und der Wasserstoffversorgungsleitung eine Umwegleitung herumführt, in die ein Regelventil eingesetzt ist, das mittels der Differenz zwischen der tatsächlichen Elementausgangsspannung und einer Bezugsspannung gesteuert wird.

Bei Anwendung des Elementes unter hohen Schwankungen der Umgebungstemperatur kann zur Konstanthaltung der Temperatur des Elementes und damit die Ausgangsspannung zusätzlich zu der Regelung der Temperatur des zurückgeführten Wasserstoffes auch noch die Menge des zurückgeführten Wasserstoffes geregelt werden. Um die Regelung durchzuführen, kann zur erneuten Kühlung zwischen dem Wärmetauscher und dem Abscheider ein Kühler angeordnet sein, wobei eine Umgehungsleitung die Kühlereingangsseite mit der Rückleitung verbindet, deren Durchsatz durch ein Regelventil eingestellt wird, das mittels der Differenz zwischen der tatsächlichen Elementausgangsspannung und einer Bezugsspannung gesteuert wird.

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Im folgenden soll die Erfindung an Hand einer Ausführungsform in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben werden.

Die Figur ist ein Schaubild der Anlage.

Wie in der Zeichnung gezeigt ist, besitzt das Brennstofielement 2 Ausgangsleitungen 4, über die elektrische Leistung aus dem Element abgenommen wird. Wasserstoff wird dem Brennstoffelement von einer Quelle 6 über einen Druckregler 8 und eine Versorgungsleitung 10 zugeführt. Ähnlich wird dem Brennstofielement ein Oxydationsmittel unter Druck aus der Quelle 12 durch einen Druckregler 14 und eine Versorgungsleitung 16 zugeführt.

Der Druck innerhalb des Elementes wird durch einen Druckregler 18 überwacht, der mit dem EIement über eine Leitung 20 verbunden ist. Dieser Druckregler arbeitet so, daß er ein inertes Gas aus einer Versorgungsquelle 21 unter einem Regeldruck den Reglern 8 und 14 über Leitungen 22 zuführt. Die Anordnung ist solcher Art, daß die Zufuhr von Wasserstoff und Oxydationsmittel durch die Versorgungsleitungen 10 und 16 unter einem Druck erfolgt, der etwas höher als der Druck des Elektrolyten ist. Auf diese Weise ist der Zufluß von Wasserstoff und Oxy-Während des Betriebs arbeitet das Brennstoffelement normalerweise so, daß der Wasserdampf mit dem überschüssigen Wasserstoff gemischt ist, zur Kühlung durch den Wärmeaustauscher 26 und zur weiteren Kühlung durch den Kühler 34 strömt, wo sich der Wasserdampf auf Grund dieser Kühlung kondensiert. Sowie die Pumpe die Produkte aus dem Kühler entfernt, wird das Wasser in dem Abscheider 38 abgeschieden, und der überschüssige Wasserstoff strömt durch die Ventile 48 und 52 sowie durch die Rückleitung 54 dem Brennstoffelement wieder über die Versorgungsleitung 10 zu.

Der Durchfluß durch das System wird als Funktion der normalen oder der gewünschten elektrischen Zellenausgangsspannung geregelt. Um das durchzuführen, wird die Ausgangsspannung durch einen spannungsempfindlichen Verstärker 64 gemessen, der über Leitungen 66 mit den Ausgangsleitungen 4 verbunden ist. Diese Verstärker- und Regelstufe vergleicht die tatsächlich anliegende Ausgangsspannung mit der gewünschten Brennstoffelementausgangsspannung. Tritt zwischen diesen beiden Größen eine Abweichung auf, sorgt diese Stufe für eine Nachstellung der Ventile 48 und 52. Die Nachstellung des Ventils

dationsmittel in das Element hinein sichergestellt, und 25 48 bewirkt, daß die Menge des überschüssigen Was

serstoffes, die dem Brennstoffelement wieder zugeführt wird, geregelt wird. Dadurch wird die Abfuhr des Wasserdampfes aus dem Brennstoffelement heraus überwacht. Ein Nachstellen des Ventils 52 regelt die Menge des überschüssigen Wasserstoffes, die durch den Wärmeaustauscher 26 hindurchströmt. Dadurch wird die Temperatur des überschüssigen Wasserstoffes in der Versorgungsleitung 10 und damit wiederum die Brennstoffelementtemperatur geregelt.

die richtige Wechselwirkung zwischen Brennstoff, Oxydationsmittel und Elektrolyt wird an den Elektroden auftreten. Die Druckregelung ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

In dem Element läuft mehr Wasserstoff um, als 30 in dem Element benötigt wird. Der Überschuß an umlaufendem Wasserstoff nimmt einiges von dem Reaktionsprodukt des Elementes mit fort. Das Reaktionsprodukt ist Wasserdampf, der durch die Abdampfleitung 24 abgeführt wird. Der überschüssige 35 Es soll noch einmal klargestellt werden, daß der überWasserstoff und der Wasserdampf gehen durch einen schüssige Wasserstoff sowohl zur Kühlung des Brenn-Wärmeaustauscher 26 hindurch und anschließend über eine Leitung 28 zu einem Kühler 34. Aus dem Kühler, der dazu dient, den Wasserdampf zu kondensieren, gelangen die Verbrauchsprodukte über 40 eine Leitung 36 in einen Wasserabscheider 38. In diesem Abscheider wird das Wasser aus dem überschüssigen Wasserstoff herausgenommen und durch eine Leitung 40 abgelassen. Von dem Wasserabscheider strömt der überschüssige Wasserstofi durch eine 45 tet. Die Regelstufe wird diese höhere Ausgangsspan-Leitung 42 einer Pumpe 44 zu und von dort durch nung feststellen und das Ventil 52 so nachstellen, daß eine Leitung 46 zu einem Durchflußregelventil 48. Von dem Ventil 48 strömt der überschüssige Wasserstoff durch eine Leitung 50 einem weiteren Regelventil 52 zu und von dort durch eine Leitung 54 in 50 niedrigeren Temperatur eintritt und für eine stärkere die Versorgungsleitung 10. Von dem Durchflußregelventil 48 geht eine Nebenleitung 56 ab, die mit dei Leitung 28 oberhalb des Kühlers in Verbindung steht, so daß ein Teil des überschüssigen Wasserstoffes von

Stoffelementes, wie bereits oben festgestellt wurde, als auch zum Abführen des Wasserdampfes aus dem Element heraus verwendet wird, der sich während des Betriebs in dem Element ansammelt. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Brennstoffelementspannung höher als die gewünschte Spannung ist, wodurch angezeigt ist, daß das Brennstoffelement bei einer höheren Temperatur als der eingestellten arbei-

weniger überschüssiger Wasserstoff durch den Wärmeaustausch hindurchströmt, so daß der überschüssige Wasserstofi in die Versorgungsleitung 10 mit einer

Kühlung des Elementes sorgen wird. Wenn die niedrigere Temperatur des überschüssigen Wasserstoffes die Elementtemperatur nicht ausreichend herabsetzt, um das Element wieder auf die gewünschte

dem Regelventil 48 in die Leitung 56 hinein umge- 55 Ausgangsspannung zurück einzustellen, wird auch leitet werden und anschließend wieder zurück in den das Ventil 48 nachgestellt werden, und zwar so, daß Kühler strömen kann. die Menge des überschüssigen Wasserstoffes, der

Eine Umgehungsleitung 58 führt von der Leitung durch die Leitung 56 dem Kühler wieder zugeführt 28 zu einem Kühlerumwegventil 60. Die Aufgabe des wird, abnimmt. Dadurch wird die Wasserstoffmenge Ventils 60 ist es, eine Regelung der Wirksamkeit des 60 vergrößert, die der Versorgungsleitung 10 wieder zugeführt wird. Dadurch wird eine zusätzliche Brennstoffelementkühlung erreicht. Die Ventile 48 und 52 sind mit der Regelstufe 64 durch entsprechende Leitungen 68 und 70 verbunden.

Kühlers möglich zu machen. Dadurch wird die Kühlwirkung des Kühlers auf den überschüssigen Wasserstoff bestimmt.

Das Regelventil 52 ist so eingerichtet, daß es nur einen Teil des Wasserstoffes der Leitung 54 zuführt und den überschüssigen Wasserstoff über eine Leitung 62 dem Wärmeaustauscher 26 und von dort der
Leitung 54 zuführt.

Ganz ähnlich erfolgt die Nachstellung für eine Elementtemperatur, die niedriger als die erforderliche Temperatur zur Erzeugung der gewünschten Ausgangsspannung ist. Das Ventil 52 läßt zusätzlichen

Wasserstoff durch den Wärmeaustauscher 26 hindurch. Dadurch wird die Temperatur des überschüssigen Wasserstoffes erhöht, der dem Brennstoffelement wieder zugeführt wird. Eine geringere Kühlung ist die Folge.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anlage zur Konstanthaltung einer vorgegebenen Ausgangsspannung eines Brennstoffelements durch Steuerung der Zirkulation des Wasserstoffs, der dem Brennstoffelement im Überschuß zugeführt wird, mit einem Abscheider, in welchem die Reaktionsprodukte in Form von Wasser von dem überschüssigen Wasserstoff getrennt werden, und einer Pumpe, die die Zirkulation des Wasserstoffs in der Anlage aufrechterhält und den zirkulierenden überschüssigen Wasserstoff wieder in die Wasserstoffversorgungsleitung zurückführt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Wasserstoffs und des Wasserdampfs zwischen dem Brennstoffelement (2) und dem Abscheider (38) ein Wärmetauscher (26) angeordnet ist, daß die Pumpe (44) und die Wasserstoffversorgungsleitung (10) durch eine Rückleitung (46, 50, 62) für den überschüssigen Wasserstoff verbunden sind, die durch den Wärmetauscher (26) hindurchgeht, und daß um den Wärmetauscher (26) zwischen der Ausgangsseite der Pumpe und der Wasserstoffversorgungsleitung (10) eine Umwegleitung (54) herumführt, in die ein Regelventil (52) eingesetzt ist, das mittels der Differenz zwischen der tatsächlichen Elementausgangsspannung und einer Bezugsspannung gesteuert wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur erneuten Kühlung zwischen dem Wärmetauscher (26) und dem Abscheider (38) ein Kühler (34) angeordnet ist und daß eine Umwegleitung (56) die Kühlereingangsseite mit der Rückleitung (46, 50) verbindet, deren Durchsatz durch ein Regelventil (48) eingestellt wird, das mittels der Differenz zwischen der tatsächlichen Elementausgangsspannung und einer Bezugsspannung gesteuert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1067 490.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1183 563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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