DE1513098B2

DE1513098B2 -

Info

Publication number: DE1513098B2
Application number: DE1513098A
Authority: DE
Inventors: August Dr.Rer.Nat. 6233 Kelkheim Winsel
Original assignee: Siemens AG; VARTA AG
Current assignee: Siemens AG; VARTA AG
Priority date: 1951-01-28
Filing date: 1951-01-28
Publication date: 1973-10-04
Also published as: DE1513098C3; DE1513098A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Energieerzeugungsanlage, insbesondere zur Versorgung schwer zugänglicher Verbraucher, wie Füllsender, Funkrelaisstationen oder Leuchtbojen, mit mindestens einem durch Wind angetriebenen Gleichstromgenerator, der eine Druckelektrolysebatterie speist, und mit Speichergefäßen für die Elektrolysegase.

Es ist bereits bekannt, zur Energieversorgung schwer zugänglicher elektrischer Aggregate, beispielsweise von Fernsehumsetzern, Funkrelaissationen oder Leuchtbojen, Brennstoffzellen zu verwenden. Nach W. Vielstich, »Brennstoffelemente«, 1965, S. 237 ff., sind hierfür Methanol-Brennstoffzellen besonders geeignet und für diese Zwecke auch schon mehrfach getest worden.

Ein Nachteil dieser Brennstoffzellen besteht darin, daß sie zur Erzielung einer besseren Leistung mit einem alkalischen Elektrolyten betrieben werden müssen und daß mit dem Brennstoff Methanol gleichzeitig die teuere Lauge verbraucht wird. Ein völlig wartungsfreier Betrieb ist infolge des bei der elektrochemischen Umsetzung gebildeten Wassers und Kohlendioxyds nicht möglich. Zusätzliche kostspielige Einrichtungen sind erforderlich, falls man nicht in kurzen Zeitabständen eine Regenerierung des Elektrolyten bzw. seinen Austausch vornehmen will. Diese Nachteile können beispielsweise dadurch vermieden werden, daß man an Stelle von Methanol-Brennstoffzellen Knallgaszellen verwendet, bei denen kein CO₂ gebildet wird und ein Verbrauch des Elektrolyten nicht stattfindet. Jedoch muß auch in diesem Fall mindestens der Brennstoff an den Ort des Verbrauchers geführt werden, was wegen der dazu erforderliehen Druckgefäße sehr umständlich und deshalb für die Praxis bisher auch ohne Bedeutung geblieben ist. Darüber hinaus wird bei diesen Brennstoffzellen der Elektrolyt laufend durch das Reaktionswasser verdünnt, so daß zusätzliche Einrichtungen zu dessen Beseitigung sowie zur Konzentrationsüberwachung notwendig sind.

Es ist weiterhin bekannt, die überschüssige Leistung von Kraftwerken zur Wasserelektrolyse einzusetzen (österreichische Patentschrift 113 176; Zeitschrift »Energie«, 12. Jahrg., 1960, S. 533 bis 538; Buch E. Jus ti und A. Win sei, »Kalte Verbrennung«, 1962, S. 253 bis 259. Die bei der Wasserelektrolyse gebildeten Produkte (Wasserstoff und Sauerstoff) werden getrennt aufbewahrt und im Bedarfsfall zur Rückgewinnung von Energie in Brennstoffzellen rekombi-. niert.

Aus der schweizerischen Patentschrift 130 772 ist es ferner bekannt, bei Wind- oder Wasserkraftwerken mit Gleich- oder Wechselstromgeneratoren die überschüssige Energie einer druckfesten Zersetzerbatterie zuzuführen und die erzeugten Gase zu speichern.

Auch diese bekannten Anordnungen zur Energieerzeugung sind noch nicht voll zufriedenstellend. Sie weisen insbesondere den Nachteil auf, daß ein weitgehend wartungsfreier Betrieb nicht gewährleistet ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Energieerzeugungsanlage der eingangs angegebenen, z. B. aus der vorgenannten schweizerischen Patentschrift 130 772 bekannten Art zu schaffen, die weitgehend wartungsfrei arbeitet und daher insbesondere zur Versorgung schwer zugänglicher Verbraucher, wie Füllsender, Funkrelaisstationen oder Leuchtbojen, geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrolysegase einer Brennstoffzellenbatterie zugeführt sind, an die der Verbraucher angeschlossen ist, daß die Druckelektrolysebatterie und die Brennstoffzellenbatterie über einen mittels einer Pumpe im Kreislauf geführten Elektrolyten miteinander verbunden sind und daß die Leistung der Druckelektrolysebatterie der Leistung des oder der Gleichstromgeneratoren im Sinne einer optimalen Ausnutzung der Windenergie angepaßt ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die in Betracht gezogenen Verbraucher sehr häufig an Stellen befinden, an denen genügend natürliche Windenergie zur Verfügung steht, um die Aggregate zu betreiben, und daß diese natürliche Energiequelle trotz ihrer von den Witterungsbedingungen stark abhängigen und demzufolge auch sehr schwankenden Leistungen zum Betrieb kontinuierlich arbeitender Aggregate eingesetzt werden kann, nämlich dann, wenn man die Energie gemäß der Erfin-

dung zunächst in elektrische Energie umwandelt, diese in einer Druckelektrolysebatterie in chemische Energie überführt, in dieser Form speichert und anschließend die gespeicherte Energie in einer Brennstoffzellenbatterie wieder in elektrische Energie überführt.

Wenn die erfindungsgemäße Anlage nur einen einzigen windbetriebenen Gleichstromgenerator aufweist, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine der jeweiligen Generatorspannung entsprechende Anzahl von Druckelektrolysezellen einschaltbar. Beispielsweise wird bei Steigerung der Spannung um jeweils 1,5 V bis 2 V eine weitere Druckelektrolysezelle in Serie hinzugeschaltet. Auf diese Weise wird die Leistung der Druckelektrolysebatterie der Windleistung angepaßt, und man gewinnt beispielsweise bei gleichem Strom durch Verdoppelung der Spannung die doppelte Menge an Elektrolysegasen und damit auch die doppelte Menge an gespeicherter chemischer Energie.

Die Einschaltung zusätzlicher Druckelektrolysezellen bei steigender Spannung kann durch verschiedene Steuereinrichtungen bewirkt werden, etwa durch eine Relaisschaltung.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Leistung der Druckelektrolysebatterie der Windleistung auch in der Weise angepaßt werden, daß man mehrere an verschiedene Abschnitte der Drackelektrolysebatterie anschaltbare Generatoren auf einer gemeinsamen Rotorachse anbringt. Es werden dann jeweils so viele Generatoren im Leerlauf betrieben, daß durch das hemmende Drehmoment der belasteten Generatoren die Propellerdrehzahl der Windgeschwindigkeit im Sinne einer optimalen Ausnutzung der Windenergie angepaßt ist. Selbstverständlich kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Propellergeschwindigkeit auch durch impulsweise Entnahme des Elektrolysestromes im Mittel auf einem gewünschten Wert gehalten werden.
Bezeichnet man die Windleistung mit L_w, den Wirkungsgrad der Windkraftanlage einschließlich der Druckelektrolysebatterie mit η_β, so ist die resultierende Leistung L_ch, mit der die chemische Energie gewonnen wird, eine Funktion der Windgeschwindigkeit v:

Der Wirkungsgrad η_ύΓ der Brennstoffzellenbatterie ist bei konstanter Leistung L₀ des Verbrauchers konstant. Damit ist die erforderliche Leistung der Windkraftanlage einschließlich der Druckelektrolysebatterie gleich:

Die chemisch gespeicherte, überschüssige über einen Zeitraum Δ T, von der Zeit T₀ aus gerechnet, ist gleich dem Zeitintegral über die durch Windkraftgenerator und Druckelektrolysebatterie zur Verfügung gestellte Leistung abzüglich der für Brennstoff-Zellenbatterie und Verbraucher erforderlichen Leistung:

E_ch(T₀,T)= °f {L_w(v)_Ve(v) -L₀M dt (3)

' Man wird die Anlage so auslegen, daß im zeitlichen Mittel die zur Verfügung stehende Windenergie ausreicht, um den Verbraucher einschließlich aller Verluste zu versorgen, d. h.:

lim E_ch(T₀,AT) =

AT->-<x> ζ

T₀ + AT

f {L_w(y^_e(y) — L_ofa_br} dt > O

Aus der Bedingung

Lw(v₀fye(v₀)=L₀Mbr (5)

ergibt sich ein Wert für die Windgeschwindigkeit v₀, die stationär zum Betrieb der Anlage gemäß der Erfindung ausreicht.

Bei der Bemessung der Anlage wird man demnach für v₀ einen Wert einsetzen, der der häufigsten Windgeschwindigkeit entspricht. Da jedoch die häufigste Windgeschwindigkeit stets kleiner als die mittlere ist, ist damit auch die Bedingung der Gleichung (4) erfüllt.

Da weiterhin für ein kurzes Intervall Δ Τ vollständiger Windstille (also v=0) E (T₀, Δ T) < O ist und im infiniten zeitlichen Intervall Δ T = oo, jedoch E (T₀, Δ T) > O ist, gibt es für E (T₀, Δ T) ein ortsabhängiges Minimum E₅, das die erforderliche Speicherkapazität bestimmt. Es stellt den größten aus dem Gasvorrat zu deckenden Energieunterschuß dar und bestimmt somit die Kapazität der Speichergefäße.

1 Mol H₂ und Va Mol O₂ liefern bei einer Spannung von 0,75 V in der Brennstoffzellenbatterie 54Ah, also rund 40Wh. Zur Überbrückung von 24 Stunden Windstille erfordert eine Anlage von 100 W, also 60 Mol H₂ und 30 Mol O₂. Unter Standardbedingungen beträgt das hierzu erforderliche Speichervolumen für Wasserstoff 1340 1 und für Sauerstoff 6701.

Da vollkommene Windstille in unseren Breiten auf den Höhen der Mittel- und Hochgebirge über Tage hinaus sehr selten ist, dürfte man in den meisten Fällen mit einem Gasvorrat von 1 bis 10 Nm³ für eine 100-W-Anlage auskommen.

In der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage müssen die Elektrolysegase gegen den Gasdruck in die Speichergefäße eingespeist werden. Aus diesem Grund muß man auch als Elektrolysezellen die an sich bekannten Druckelektrolysezellen verwenden, bei denen der Gasdruck aus den Speichergefäßen auf den Elektrolyten der Elektrolysezellen rückgekoppelt ist. Gasbehälter und Elektrolysezellen bilden ein unter gemeinsamem Überdruck stehendes System, in das zweckmäßig auch die Brennstoffzellen einbezogen werden.

Im zuletzt genannten Fall wird der Gasdruck aus den Speichergefäßen bis auf den Teil, der gleich der Arbeitsdruckdifferenz zwischen Gas- und Elektrolytraum der Gasdiffusionselektroden ist, auch auf den Elektrolytraum der Brennstoffzellen rückgekoppelt. Der Elektrolytdruck ist bei gleichen Elektrodentypen in den Druckelektrolysezellen und Brennstoffzellen gleich.

Bei der Druckelektrolyse wird Wasser verbraucht, das in Form der dabei entstehenden Elektrolysegase zunächst gespeichert und anschließend unter Erzeugung elektrischer Energie in den Brennstoffzellen

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wieder gebildet wird. Zur Gewährleistung eines sta- gender Elektrolytkreislauf: Über eine Leitung 39 tionären Betriebes muß das in den Brennstoffzellen fließt der Elektrolyt zunächst in die Druckelektrogebildete Wasser selbstverständlich wieder in die lysebatterie 31 und aus dieser über eine Leitung 40 Druckelektrolysezellen zurückgeführt werden, was bei in das Vorratsgefäß 36. Unter dem in der Druckelekgleichem hydrostatischem Druck mit Hilfe einer 5 trolysebatterie sowie den Vorratsgefäßen 35 und 36 Pumpe geschieht. Hierbei wird der Elektrolyt stan- herrschenden Überdruck fließt der Elektrolyt weiter dig im Kreislauf geführt, und man erhält eine über über ein Drosselventil 41 in das Vorratsgefäß 37, von das ganze System hin konstante Elektrolytkonzentra- dem aus er über eine Leitung 43 in die Brennstofftion. Zwecks Verminderung der Polarisation ist es Zellenbatterie 32 gespült wird. Der Elektrolyt gelangt weiterhin von Vorteil, wenn man die Elektrolytströ- io schließlich über eine Leitung 44 in das Vorratsgefäß mung nicht nur auf die Elektrolyträume begrenzt, 38 und aus diesem mittels einer Pumpe 46 über Vensondern ganz oder teilweise auch auf die elektrolyter- tile 45 und 47 und Leitungen 48 und 49 in das Vorfüllten Poren ausdehnt. ratsgefäß 35 zurück.

An Hand der Zeichnung werden einige Ausfüh- . Durch ein Überdruckventil 50 in einer Leitung 51

rungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. 15 wird das Auftreten eines zu hohen Druckunterschie-

In F i g. 1 bedeutet 1 eine Druckelektrolysebatterie, des in den Vorratsgefäßen 35 und 36 verhindert. Die

2 eine Brennstoffzellenbatterie, 3 ein Speichergefäß Druckdifferenz zwischen den Gefäßen 37 und 38

für Sauerstoff und 4 ein Speichergefäß für Wasser- wird in gleicher Weise durch ein Überdruckventil 52

stoff. Der Gasdruck in den Speichergefäßen 3 und 4 in einer Leitung 53 begrenzt.

wird in den Elektrolytvorratsgefäßen 5, 6, 7 und 8 20 Das Drosselventil 41 kann mittels eines Kraftma-

mittels Ausgleichskörper 9, 10, 11 und 12 jeweils bis gneten 42 geschlossen werden, und zwar dann, wenn

auf die Arbeitsdruckdifferenz, die sich aus den beid- der Elektrolytspiegel im Vorratsgefäß 37 einen vor-

seitig der Gasdiffusionselektroden herrschenden Drük- bestimmten Wert überschreitet,

ken ergibt, zurückgeführt. Der Druck im Vorratsgefäß 38 kann bei dieser

Mittels einer Pumpe 13 und Leitungen 14, 15, 16, 25 Ausführungsform gleich dem Druck der Umgebung

17, 18, 19 und 20 wird der Elektrolyt zwischen der sein. . .

Druckelektrolysebatterie 1 und der Brennstoffzellen- Die bei der Elektrolyse entstehenden Gase werden

batterie 2 über die Elektrolytvorratsgefäße 5, 6, 7 über Leitungen 54 und 55 in die dafür vorgesehenen

und 8 im Kreislauf geführt. 21, 22, 23 und 24 sind , Speichergefäße 33 und 34 geleitet und gelangen von

Zu^. bzw. Ableitungen für die in den Gefäßen 3 und 4. 30 dort über Druckminderungsventile 56 und 57 in die

gespeicherten Gase. Elektroden der Brennstoffzellenbatterie 32. Wie beim

Sowohl die Vorratsgefäße als auch die Speicherge- ersten Ausführungsbeispiel wird aus der Gasdruckfäße haben Ventile zur Ausscheidung überschüssiger leitung ein Teil des Gases über eine Leitung 58 und Gasmengen, die allerdings in der Zeichnung nicht einen Ausgleichskörper 59 auf den Elektrolyten zudargestellt sind. Sie sorgen dafür, daß die Druck- 35 rückgekoppelt. Die Rückkopplung kann selbstverdifferenz zwischen den einzelnen Gasspeichergefäßen ständlich auch an jeder anderen Stelle des aus den eine vorgegebene Töleranz nicht überschreitet. Elektrolytvorratsgefäßen 35 und 36 sowie der Druck-

Mit 25 ist in F i g. 1 der Propeller eines Gleich- elektrolysebatterie gebildeten Systems geschehen.

Stromgenerators 26 und mit 27 ein Relais bezeichnet, Mit 60 ist in F i g. 2 der auf einer Achse 61 ange-

das die Ein- bzw. Abschaltung der Druckelektrolyse- 40 brachte Propeller der Windkraftanlage bezeichnet;

zellen in der Batterie 1 steuert. 28 stellt einen an die 62, 63, 64 und 65 stellen die Gleichstromgeneratoren

Brennstoffzellenbatterie 2 angeschlossenen Verbrau- dar, die über eine Steuereinrichtung 66 in Abhängig-

cher, beispielsweise eine Leuchtboje, dar. keit von der Windenergie an die Druckelektrolyse-

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Er- batterie 31 angeschlossen werden. 67 ist ein an die

findung können die Brennstoffzellen auch bei einem 45 Brennstoffzellenbatterie 32 angeschlossener Verbrau-

Druck betrieben werden, der geringer als der Druck eher.

in den Druckelektrolysezellen ist, beispielsweise bei Eine ähnlich arbeitende Anordnung zeigt Fig. 3, Atmosphärendruck. In einem solchen Fall braucht bei der mit Rückgewinnung der Kompressionsenergie man den Druck der gespeicherten Gase lediglich auf gearbeitet wird. Zu diesem Zweck ist auf der Arbeitsdie Betriebsdrücke der Elektroden in den Brennstoff- 50 achse 76 einer Pumpe 77 noch ein Arbeitszylinder 78 zellen zu reduzieren, was in einfachster Form mit angebracht, der den Druckelektrolyten über ein Druckminderventilen geschehen kann. Der Elektrolyt Steuerventil 79 zugeführt bekommt und ihn über ein hat hierbei allerdings die hydrostatische Druckdiffe- Steuerventil 80 in ein Vorratsgefäß 74 weiterleitet, renz zwischen den Brennstoff- und Druckelektrolyse- Ein Magnetventil 81 mit einem Kraftmagneten 82 zellen zu überwinden, wozu aber fast kein Energie- 55 wird dann geöffnet, wenn der Flüssigkeitsspiegel in aufwand benötigt wird, da das umzuwälzende Flüs- einem Vorratsgefäß 73 zu hoch steht, was durch einen sigkeitsvolumen gering ist und damit auch die sich Standhöhenfühler 83 angezeigt wird. Bei geöffnetem ' aus dem Produkt des Fördervolumens und der Druck- Ventil fließt der Elektrolyt in das Vorratsgefäß 74. differenz ergebende Pumpenleistung. 84 und 85 sind die zur Rückkopplung des Druckes Eine derartige Anordnung ist schematisch in F i g. 2 60 aus den Gasbehältern auf das Elektrolytsystem einer dargestellt, in welcher mit 31 eine Druckelektrolyse- Druckelektrolysebatterie 70 benötigten Ausgleichsbatterie und mit 32 eine Brennstofizellenbatterie be- körper. Die Brennstoffzellenbatterie ist mit 71 bezeichnet ist. 33 und 34 sind die erforderlichen Spei- zeichnet. 72 und 75 sind weitere Elektrolytvorratsgechergefäße für Wasserstoff und Sauerstoff. Mit 35, fäße.

36, 37 und 38 sind Vorratsgefäße für den Elektro- 65 Die in den drei Figuren dargestellten Elektrolyt-

lyten bezeichnet. vorratsgefäße können selbstverständlich auch Teil-

Beginnend bei dem Vorratsgefäß 35 ergibt sich fol- räume der Zellen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Energieerzeugungsanlage, insbesondere zur Versorgung schwer zugänglicher Verbraucher, wie Füllsender, Funkrelaisstationen oder Leuchtbojen, mit mindestens einem durch Wind angetriebenen Gleichstromgenerator, der eine Druckelektrolysebatterie speist, und mit Speichergefäßen für die Elektrolysegase, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolysegase einer Brennstoffzellenbatterie (2, 32, 71) zugeführt sind, an die der Verbraucher (28, 67) angeschlossen ist, daß die Druckelektrolysebatterie (1, 31, 70) und die Brennstoffzellenbatterie (2, 32, 71) über einen mittels einer Pumpe (13, 46, 77) im Kreislauf geführten Elektrolyten miteinander verbunden sind und daß die Leistung der Druckelektrolysebatterie (1, 31, 70) der Leistung des oder der Gleichstromgeneratoren (26, 62, 63, 64, 65) im Sinne einer optimalen Ausnutzung der Windenergie angepaßt ist.

2. Elektrische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines einzigen Generators (26) eine der jeweiligen Generatorspannung entsprechende Anzahl von Druckelektrolysezellen einschaltbar ist.

3. Elektrische Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere auf einer gemeinsamen Rotorachse (61) angebrachte Generatoren (62, 63, 64, 65) vorgesehen sind, die entsprechend der Propellerdrehzahl an Abschnitte der Druckelektrolysebatterie (31) anschaltbar sind.

4. Elektrische Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellenbatterie (2) und die Druckelektrolysebatterie (1) ein unter gleichem Überdruck stehendes geschlossenes System bilden.

5. Elektrische Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (77) zur Rückgewinnung der Kompressionsenergie mit einem zusätzlichen Arbeitszylinder (78) verbunden ist.