CN1446385A - 调节燃料电池阳极电解液中燃料浓度的方法和装置 - Google Patents

调节燃料电池阳极电解液中燃料浓度的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN1446385A
CN1446385A CN01814070A CN01814070A CN1446385A CN 1446385 A CN1446385 A CN 1446385A CN 01814070 A CN01814070 A CN 01814070A CN 01814070 A CN01814070 A CN 01814070A CN 1446385 A CN1446385 A CN 1446385A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
fuel
methyl alcohol
carbon dioxide
anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN01814070A
Other languages
English (en)
Inventor
沃尔特·普里德尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of CN1446385A publication Critical patent/CN1446385A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H01M8/04194—Concentration measuring cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

在一种燃料电池的阳极一侧和阴极一侧分别有废气产生，按照本发明，测量阴极废气中二氧化碳的浓度并由此测算出通过燃料电池薄膜产生的燃料损失。为此，在相应的装置中，在气流中设置一个二氧化碳传感器(16)。

Description

调节燃料电池阳极电解液中 燃料浓度的方法和装置
本发明涉及一种对燃料电池阳极电解液中的燃料浓度进行调节的方法，该燃料电池具有阳极、薄膜和阴极，其中在阳极一侧和阴极一侧分别产生废气。此外，本发明还涉及一种用于实施本发明方法的装置。按照本发明，所述燃料优选是甲醇，但并不仅仅限于甲醇。
燃料电池利用液态或气态燃料运行。只要燃料电池用氢气来工作，就必需采用一个用于由液态燃料生成气态氢气的燃料重整器或一个氢气-基础结构。液态燃料例如有汽油或醇，如乙醇或甲醇。一种所谓的DMFC燃料电池( Direct  Methanol  Fuel  Cell：直接-甲醇-燃料电池)直接以甲醇作为燃料来工作。DMFC燃料电池的各项性能和状态在“VIK-Bericht”1999年11月第214期第55至62页中有具体的描述。
燃料电池设备由大量的单个燃料电池单元组成，这些燃料电池单元一起构成了一个燃料电池堆，它在专业界也被称为燃料电池叠堆或简称为“堆叠(Stack)”。在利用甲醇作燃料来运行的直接-甲醇-燃料电池中，在阳极一侧和阴极一侧都会产生废气。
在直接-甲醇-燃料电池(DMFC)中的阳极一侧，燃料甲醇与水混合并借助一个定量配料泵被抽吸通过堆叠。甲醇的一部分被用于阳极反应并由此形成二氧化碳。甲醇的另一部分则通过渗透和电渗透过薄膜到阴极并且在阴极的催化剂上直接氧化成二氧化碳。
带有气体/蒸汽-混合物的阳极电解液在流出阳极时分离成气体和液体。尽可能多的二氧化碳从液体中分离出去，然后所述液体借助泵又重新输入到阳极。为了使这种液体中的甲醇浓度不至于太低，甲醇必须以足够的程度添加进去。与电流相应的甲醇量可从电流量中计算出来。但用于补偿电渗和渗透损失的附加量根本不能掌握，阳极电解液可能具有太低的浓度。
后一个问题可用一个恒定的过量系数来解决。但由于具体损失取决于以甲醇为燃料的燃料电池的运行方式，即，视燃料电池单元内的电流密度大小，电渗和渗透会有不同程度的叠加，进而会造成不同的具体损失，因此，在较长的时间内或者会形成甲醇的积聚，或者在过量系数设定过小时会导致甲醇浓度不够。在这样的情况下，燃料电池堆叠中的一些甲醇供给很少的燃料电池单元会有转换极性的危险。而燃料电池转换极性会导致一种对燃料电池不可再恢复的损伤。
按照现有技术，直接-甲醇-燃料电池所需甲醇量可由其所要提供的电流量计算出来并增大一个恒定的系数，例如1.5或2.0倍，以补偿甲醇损失，其中，考虑到了甲醇的浓度相对于当时的电流密度来说不是最佳这种情况。由于必须趋于过量配给甲醇来避免因其供应不足所导致的极性转换危险，因此所造成的甲醇损失量必然大于其原本会有的损失量。
总之，利用上述运行原理来运行的燃料电池系统的效率不是最佳，有待改进。
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种对直接-甲醇-燃料电池的阳极电解液中燃料浓度的调节作出改进的方法以及一种相应的装置。
上述问题按照本发明通过权利要求1所述措施来解决。一种相应的装置由权利要求6给出。本发明方法及装置的其它改进设计由从属权利要求给出。
按照本发明，通过测量阴极废气中二氧化碳的浓度可比较有利地测出通过薄膜的燃料损失。为了测量浓度，采用一个商业上常见的传感器，将其安设在废气流中并例如安设在冷却器和入口压力调节器(Vordruckregler)之后。
下面借助附图所示实施方式对本发明的其它优点和细节予以详细说明。
图1示出一个DMFC燃料电池的一单个单元，其带有燃料电池运行所需的相关系统部件。
图1中示出了一个甲醇容器1，其后连接有一个定量配料泵2和一个加热器3，作为燃料的液态甲醇通过它们进入燃料电池单元10中。该燃料电池单元l0被设计为直接-甲醇-燃料电池(DMFC＝ Direct  Methanol  FuelCell)，并且其基本特征为有一个阳极11、一薄膜12和一个阴极13。其中阳极部分配备有一个冷却器4、一个二氧化碳分离器5、一用于精馏(Rektifikation)的单元6和一个甲醇传感器7。另一个定量配料泵8用于将甲醇馈送回燃料循环中。
在阴极侧有一个空气压缩机14，一个用于阴极液体的冷却器或水分离器15和一个二氧化碳传感器16。此外，对于设备的运行设有一个用于控制/调节燃料电池单元10的单元25，必要时还要有一个电换流器26。
在图示DMFC燃料电池中既有一次流体循环又有二次流体循环。在一次液体循环中，甲醇-/水-混合物输送给燃料电池10的阳极11，而空气则输送给阴极13。在二次循环中，将二氧化碳从剩余燃料中分离出来后将该剩余燃料重新输送回燃料循环中。此外，在阴极废气流过废气侧的流体循环中的冷却器或水分离器15之后，测量该废气中的二氧化碳的含量，它是通过燃料电池薄膜12的甲醇损失量的一个量度。该测量信号被反馈回最初的定量配料泵2。图示CO2-传感器16是一个商业上常见的传感器，它安设在气流中并优选安设于冷却器15和现有的入口压力调节器之后。由此测得CO2的摩尔浓度。
一摩尔的二氧化碳对应于一摩尔的甲醇。可由空气压缩机的功率获知阴极侧的空气量，或者可通过测量空气流量来确定阴极侧的空气量。
但在用传感器确定的二氧化碳量隐含有一定的系统误差，因为在阳极通过电化学反应产生的二氧化碳中有很小一部分可通过薄膜扩散到阴极，以至于所使用的空气中有很小的并且可能有略微波动的二氧化碳浓度。但由于二氧化碳不会另外产生象甲醇那样的电渗现象，因此这样的误差是可以容忍的。
由利用电池中通过的电流计算出所需甲醇，并在此基础上再加上由阴极侧的二氧化碳浓度求出的甲醇量，可由此得到甲醇的定量配给量。为使燃料电池可靠运行，依据薄膜-电解质-阳极(MEA)的特性和堆叠特性，可在由法拉第电流和损失电流求出的甲醇量基础上再加上一定的甲醇附加量。该甲醇的附加系数根据具体需要可提高到1.05至1.5。
在图示系统和借助附图所描述的运行原理中，比较重要的是附加利用在阴极侧的废气中的二氧化碳浓度来控制燃料电池系统。从而不再强制要求测量燃料循环中的甲醇浓度。
实践中，DMFC燃料电池配备有一个设于废气中的二氧化碳传感器。为了验证其效果，已卓有成效地测得了一些特性曲线。
上述借助一个以甲醇作燃料运行的DMFC燃料电池来描述的技术解决方案也可以转用到以另一种燃料来运行的燃料电池上。

Claims (7)

1.一种对燃料电池阳极电解液中的燃料浓度进行调节的方法，该燃料电池具有阳极、薄膜和阴极，其中在阳极一侧和阴极一侧分别有废气产生，其特征在于，测量阴极废气中二氧化碳的浓度并测算出通过薄膜的燃料损失。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料是甲醇。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助一个设在气流中的传感器测出二氧化碳的浓度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，利用在流体循环中现有的用于冷却和调节入口压力的单元来测量气流中的二氧化碳浓度。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所测得的二氧化碳浓度换算成甲醇量，其中，一摩尔的二氧化碳对应于一摩尔的甲醇。
6.一种用于实施如权利要求1至4中任一项所述方法的装置，其具有一个设在气流中的二氧化碳传感器(16)。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述位于气流中的传感器(16)安设在一个可能现有的入口压力调节器的一个同样设于气流中的冷却器(15)之后。
CN01814070A 2000-08-16 2001-08-03 调节燃料电池阳极电解液中燃料浓度的方法和装置 Pending CN1446385A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10039959.2 2000-08-16
DE10039959A DE10039959A1 (de) 2000-08-16 2000-08-16 Verfahren zur Regelung der Brennstoffkonzentration in der Anodenflüssigkeit einer Brennstoffzelle und zugehörige Vorrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1446385A true CN1446385A (zh) 2003-10-01

Family

ID=7652573

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN01814070A Pending CN1446385A (zh) 2000-08-16 2001-08-03 调节燃料电池阳极电解液中燃料浓度的方法和装置

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20030146094A1 (zh)
EP (1) EP1310007A1 (zh)
JP (1) JP2004507053A (zh)
CN (1) CN1446385A (zh)
CA (1) CA2419452A1 (zh)
DE (1) DE10039959A1 (zh)
WO (1) WO2002015314A1 (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100434911C (zh) * 2005-06-02 2008-11-19 英属盖曼群岛商胜光科技股份有限公司 用于直接甲醇燃料电池的计算燃料浓度方法
CN100434904C (zh) * 2005-12-14 2008-11-19 英属盖曼群岛商胜光科技股份有限公司 用于液态燃料电池的计算燃料浓度方法
US8460936B2 (en) 2008-12-01 2013-06-11 Industrial Technology Research Institute Apparatus and method of measuring concentration of fuel
US8501491B2 (en) 2007-11-27 2013-08-06 Industrial Technology Research Institute Method of measuring concentration of fuel
TWI473337B (zh) * 2007-11-27 2015-02-11 Ind Tech Res Inst 燃料濃度量測方法
CN109921069A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种直接液体燃料电池阴极水含量的测定方法

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10314605A1 (de) * 2002-07-26 2004-02-05 Daimlerchrysler Ag Anordnung und Verfahren zur optischen Messung von Wasser in einer Membran-Elektroden-Anordnung
US7655331B2 (en) * 2003-12-01 2010-02-02 Societe Bic Fuel cell supply including information storage device and control system
JP2005317431A (ja) * 2004-04-30 2005-11-10 Seiko Instruments Inc 冷却システム、冷却方法および電子機器
DE102005010497B4 (de) * 2005-03-08 2014-05-28 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zum Betreiben eines Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstapels
EP2453508A1 (en) * 2005-06-13 2012-05-16 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and start-up method thereof
JP2007027078A (ja) * 2005-06-13 2007-02-01 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
DE102005031521A1 (de) 2005-06-29 2007-01-11 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur Bestimmung des Brennstoffverbrauchs eines Brennstoffzellensystems, Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
US20070099049A1 (en) * 2005-10-27 2007-05-03 Knight Steven R Subterranean fuel cell system
WO2007131229A2 (en) * 2006-05-05 2007-11-15 Polyfuel, Inc. Gas phase fuel cells
DE102006048825B4 (de) * 2006-10-09 2017-02-09 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Direktoxidations-Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Direktoxidations-Brennstoffzellensystems
DE102008005841A1 (de) * 2008-01-24 2009-07-30 Forschungszentrum Jülich GmbH Hochtemperatur-Polymerelektrolyt Brennstoffzellensystem (HT-PEFC) sowie ein Verfahren zum Betreiben desselben

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2679298B2 (ja) * 1989-09-14 1997-11-19 富士電機株式会社 りん酸形燃料電池のりん酸残量監視装置
JP2735399B2 (ja) * 1991-04-17 1998-04-02 三菱電機株式会社 積層型燃料電池
US5235846A (en) * 1991-12-30 1993-08-17 International Fuel Cells Corporation Fuel cell leakage detection technique
JP3840677B2 (ja) * 1994-11-02 2006-11-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池発電装置
JP3453954B2 (ja) * 1994-11-02 2003-10-06 トヨタ自動車株式会社 一酸化炭素検出装置、有機化合物検出装置および低級アルコール検出装置
JP2000512797A (ja) * 1996-06-26 2000-09-26 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト 直接―メタノール―燃料電池（ｄｍｆｃ）
JP2002505511A (ja) * 1998-02-25 2002-02-19 バラード パワー システムズ インコーポレイティド 直接ジメチルエーテル燃料電池
US6632553B2 (en) * 2001-03-27 2003-10-14 Mti Microfuel Cells, Inc. Methods and apparatuses for managing effluent products in a fuel cell system
US6566003B2 (en) * 2001-04-18 2003-05-20 Mti Microfuel Cells, Inc. Method and apparatus for CO2 - driven air management for a fuel cell system
US6770391B2 (en) * 2001-09-04 2004-08-03 General Motors Corporation Hydrogen sensor for fuel processors of a fuel cell

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100434911C (zh) * 2005-06-02 2008-11-19 英属盖曼群岛商胜光科技股份有限公司 用于直接甲醇燃料电池的计算燃料浓度方法
CN100434904C (zh) * 2005-12-14 2008-11-19 英属盖曼群岛商胜光科技股份有限公司 用于液态燃料电池的计算燃料浓度方法
US8501491B2 (en) 2007-11-27 2013-08-06 Industrial Technology Research Institute Method of measuring concentration of fuel
TWI473337B (zh) * 2007-11-27 2015-02-11 Ind Tech Res Inst 燃料濃度量測方法
US8460936B2 (en) 2008-12-01 2013-06-11 Industrial Technology Research Institute Apparatus and method of measuring concentration of fuel
CN109921069A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种直接液体燃料电池阴极水含量的测定方法
CN109921069B (zh) * 2017-12-12 2021-03-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种直接液体燃料电池阴极水含量的测定方法

Also Published As

Publication number Publication date
CA2419452A1 (en) 2003-02-14
US20030146094A1 (en) 2003-08-07
DE10039959A1 (de) 2002-03-07
JP2004507053A (ja) 2004-03-04
EP1310007A1 (de) 2003-05-14
WO2002015314A1 (de) 2002-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1446385A (zh) 调节燃料电池阳极电解液中燃料浓度的方法和装置
CN101366142B (zh) 确定单电池中的化学计量比的燃料电池堆
CN101127402B (zh) 用于增加堆入口rh的系统水平调节
CN100578846C (zh) 用于燃料电池系统的控制装置及相关方法
CN101689657B (zh) 用于阳极侧中杂质的浓度分布估算装置，以及利用该装置的燃料电池系统
US8071256B2 (en) Electrochemical energy generating apparatus and method for driving the apparatus
CN101647146A (zh) 燃料电池系统及电源控制方法
US10158132B2 (en) Fuel cell system and method of controlling the fuel cell system
CN101819232B (zh) 使用于pem燃料电池内的液态水传感器信号调节电路
CN101820074A (zh) 观察燃料电池系统启动期间的阳极流体成分的系统和方法
JP2008243383A (ja) 燃料電池システム
CN112151837A (zh) 一种氢燃料电池尾气水分回收装置及水含量测量方法
US20130244127A1 (en) Fuel cell system
US7659016B2 (en) Fuel cell with a device for storing water
CN101399358A (zh) 燃料电池系统和启动方法
CN102956901B (zh) 使用浓度传感器修正渗透不确定性的方法
CN102386426A (zh) Pem燃料电池中的膜渗透调整
US11811115B2 (en) Method of determining degradation of fuel cell stack, and fuel cell vehicle equipped with the fuel cell stack
CN102986070A (zh) 燃料电池系统
Paganin et al. A test station facility for research and development on fuel cell components and materials
CN101420039B (zh) 燃料电池系统和计算燃料量的方法
JP2005209584A (ja) 直接型メタノール燃料電池システム
KR20100104912A (ko) 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 구동 방법
CN102844922A (zh) 燃料电池系统
Argyropoulos et al. Modeling flow distribution for internally manifolded direct methanol fuel cell stacks

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication