DE10015332A1 - Verfahren zum Beaufschlagen eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen und entsprechende Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zum Beaufschlagen eines für eine Brennstoffzelle (10) vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen, wobei ein erster Brennstoffbestandteil Wasser ist. Hierbei ist vorgesehen, dass die Speicherung und/oder Zuführung von Wasser in Form eines Gemischs mit einem in Bezug auf Wasser gefrierpunktsenkenden, zweiten Brennstoffbestandteil erfolgt. Dabei ist ein zur Aufnahme von Wasser vorgesehener Vorratsbehälter (16) als Brennstoffgemisch-Vorratsbehälter ausgebildet und eine zur Beaufschlagung von Wasser vorgesehene Zuführleitung (17, 19) als Brennstoffgemisch-Zuführleitung ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beaufschlagen eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen, wobei ein erster Brennstoffbestandteil Wasser ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Beaufschlagung eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen, wobei ein Vorratsbehälter zur Aufnahme von Wasser und eine Zuführleitung zur Beaufschlagung von Wasser vorgesehen ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6.

Verfahren zum Beaufschlagen eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen sind bekannt. Dabei wird zum Betreiben einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC), welche ebenfalls an sich bekannt ist, Wasser benötigt, um eine erwünschte Anodenreaktion herbeizuführen. Das zum Einsatz kommende Wasser ist insbesondere bei mobilen Brennstoffzellenanlagen einer sich besonders nachteilhaft auswirkenden Frostgefahr ausgesetzt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche in einfacher und zuverlässiger Weise eine nicht erwünschte Frostbildung von Wasser, das zum Beaufschlagen eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen vorgesehen ist, verhindern beziehungsweise die Gefahr einer derartigen Frostbildung herabsetzen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass die Speicherung und/oder Zuführung von Wasser in Form eines Gemischs mit einem in Bezug auf Wasser gefrierpunktsenkenden, zweiten Brennstoffbestandteil erfolgt. Durch die Mischung von Wasser mit einem zweiten, gefrierpunktsenkenden Brennstoffbestandteil ist es in einfacher und zuverlässiger Weise möglich, eine nicht erwünschte Frostbildung in Anlagen zum Beaufschlagen eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen wenigstens unter nicht außergewöhnlichen Umgebungseinflüssen (Umgebungstemperatur) zu verhindern.

Vorzugsweise ist der zweite Brennstoffbestandteil Methanol. Methanol ist besonders als gefrierpunktsenkender, zweiter Brennstoffbestandteil zum Herstellen eines Gemischs mit Wasser geeignet. Ein derartiges Methanol-Wasser-Gemisch kann insbesondere bei Vorrichtungen zum Einsatz kommen, welche höhere Methanolkonzentrationen im Brennstoffzellenzulauf erlauben und keine Befeuchtung der Membran der Brennstoffzelle auf der Kathodenseite erfordern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Brennstoffgemisch ein Anodenabgas der Brennstoffzelle. Dies ermöglicht eine Rückführung von im Anodenabgas enthaltenen, unverbrauchten Brennstoffen in die Brennstoffzelle, wobei das Anodenabgas beziehungsweise das Brennstoffgemisch in geeigneter Weise aufbereitet werden kann.

Vorzugsweise erfolgt die Beaufschlagung des Brennstoffgemischs mit dem Gemisch aus Wasser und dem zweiten Brennstoffbestandteil stromaufwärts eines Kondensators mitttels Einspritzen. Dies ermöglicht in besonders aufbereitungsgünstiger Weise eine Beaufschlagung des noch gasförmigen, heißen Brennstoffgemischs mit dem flüssigen, verhältnismäßig kühlen Gemisch aus Wasser und dem zweiten Brennstoffbestandteil, da das gasförmige, heiße Brennstoffgemisch durch die Zudosierung des flüssigen Gemischs mittels Einspritzen vorgekühlt wird und somit den Einsatz eines kleiner dimensionierten Kondensators ermöglicht.

Vorteilhafterweise erfolgt die Beaufschlagung des Brennstoffgemischs mit dem Gemisch aus Wasser und dem zweiten Brennstoffbestandteil stromabwärts eines Kondensators. In dieser Weise werden zwei Flüssigkeitsströme eines Gemischs aus Wasser und einem zweiten Brennstoffbestandteil unterschiedlicher Konzentration vorzugsweise in einer dafür vorgesehenen Mischkammer zusammengeführt, wobei beide Flüssigkeitsströme einer verhältnismäßig geringen Frostgefahr ausgesetzt sind.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Vorrichtung zur Beaufschlagung eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen vorgeschlagen, die die Merkmale des Anspruchs 6 aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter als Brennstoffgemisch-Vorratsbehälter und die Zuführleitung als Brennstoffgemisch- Zuführleitung ausgebildet ist. Ein derart ausgebildeter Vorratsbehälter und eine entsprechend ausgebildete Zuführleitung sind zur Aufnahme von wasserhaltigen Brennstoffgemischen geeignet, welche im Vergleich zu reinem Wasser durch einen verhältnismäßig niedrigen Gefrierpunkt gekennzeichnet sind, so dass die Gefahr einer Frostbildung vermieden oder wenigstens reduziert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beaufschlagen eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen anhand eines Blockschaltbilds dargestellt.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellungsweise eine Brennstoffzelle 10, welche als Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) ausgebildet ist. Von der Brennstoffzelle 10 wird ein heißes Anodenabgas mit unverbrauchten Brennstoffen mittels der als Pfeil 11 dargestellten Anodenabgasleitung zu einem Kondensator 12 geführt. Das Anodenabgas enthält Methanol, Wasser und CO₂. Im Kondensator 12 wird das im Anodenabgas enthaltene Methanol und Wasser in einen flüssigen Zustand gebracht unter Abscheidung von CO₂ gemäß der als Pfeil 13 dargestellten CO₂-Abscheidungsleitung. Das im Kondensator 12 verflüssigte Methanol und Wasser wird mittels einer als Pfeil 14 dargestellten Rückführleitung zu einer Mischkammer 15 geführt, von welcher das Gemisch aus Methanol und Wasser durch eine als Pfeil 24 dargestellte Gemischzuführleitung in eine Pumpe 25 und von dieser durch eine als Pfeil 26 dargestellte Gemischzuführleitung wieder zurück in die Brennstoffzelle 10 geführt wird. Die Brennstoffzelle 10 ist somit mit einem Gemischzuführmittel 27 verbunden, welche prinzipiell als eine von der Brennstoffzelle 10 ausgehende Rückführleitung ausgebildet ist. Das Gemischzuführmittel 27 steht mit einer Dosiereinheit 37 in Wirkverbindung zur Beaufschlagung des Gemischzuführmittels 27 mit wenigstens einem und im vorliegenden Fall zwei Bestandteilen des Brennstoffgemischs. Die Dosiereinheit 37 weist ein Dosiermittel 38 für ein Methanol-Wasser-Gemisch und ein Dosiermittel 39 für Methanol auf, wobei die Dosiermittel 38, 39 voneinander getrennt sind. Das Dosiermittel 38 für das Methanol-Wasser-Gemisch enthält einen Vorratsbehälter 16, von dem das Methanol- Wasser-Gemisch durch eine als Pfeil 17 dargestellte Zuführleitung zu einer Dosierpumpe 18 und von dieser durch eine als Pfeil 19 dargestellte Zuführleitung in die Anodenabgasleitung (Pfeil 11) stromaufwärts des Kondensators 12 zuführbar ist. Das Dosiermittel 39 für Methanol ist in entsprechender Weise ausgebildet, das heißt es enthält einen Methanol-Vorratsbehälter 20, von welchem durch eine als Pfeil 21 dargestellte Methanolzuführleitung Methanol in eine Dosierpumpe und von dieser durch eine als Pfeil 23 dargestellte Methanolzuführleitung in die Mischkammer 15 zuführbar ist.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung zur Zuführung des Brennstoffgemischs, bestehend aus Methanol und Wasser, bzw. einem Methanol-Wassergemisch, in die Brennstoffzelle 10 weist ein mit einer Steuereinheit 31 wirkverbundenes Meßmittel auf, das aus einer als Pfeil 29 dargestellten Meßleitung und einem Sensormittel 28 besteht. Das Meßmittel 28, 29 ist in Bezug auf die Mischkammer 15 stromabwärts mit der als Pfeil 24 dargestellten Gemischzuführleitung wirkverbunden angeordnet und dient zur Ermittlung des Mischverhältnisses der Bestandteile Methanol/Wasser im Brennstoffgemisch. Hierzu ist das Sensormittel 28 mittels einer als Pfeil 30 dargestellten Datenübertragungsleitung mit der Steuereinheit 31 wirkverbunden. Die Steuereinheit 31 ist mittels der als Pfeil 32 und als Pfeil 33 dargestellten Signalübertragungsleitungen geeignet, eine gewünschte Einstellung der Dosiereinheit 37 beziehungsweise der Dosierpumpen 18, 22 für das Wasser-Methanol-Gemisch und das Methanol einzuleiten. Aufgrund der jeweiligen Wirkverbindung zwischen den voneinander getrennten Dosierpumpen 18, 22 mit der Steuereinheit 31 mittels der entsprechenden Signalübertragungsleitungen (Pfeile 32, 33) ist es möglich, eine geregelte Einstellung des Mischverhältnisses der Bestandteile Wasser/Methanol des Brennstoffgemischs in der als Pfeil 24 dargestellten Gemischzuführleitung zu erzielen. Es liegt somit ein Regelkreis vor, welcher durch das Meßmittel 28, 29, die Datenübertragungsleitung (Pfeil 30), die Steuereinheit 31, die Signalübertragungsleitungen (Pfeile 32, 33), die Dosierpumpen 18, 22, die Zuführleitungen für Wasser und Methanol (Pfeile 19, 23), die Anodenabgasleitung (Pfeil 11), den Kondensator 12, die Rückführleitung (Pfeil 14), die Mischkammer 15 und die Gemischzuführleitung (Pfeil 24) gebildet wird.

Ferner enthält die in der Figur dargestellte Vorrichtung zur Zuführung des Brennstoffgemischs in die Brennstoffzelle 10 ein Sensormittel 34, welche mittels der als Pfeil 35 dargestellten Meßleitung mit der als Pfeil 26 dargestellten Gemischzuführleitung wirkverbunden ist, um die jeweils vorliegende Durchflußrate an Brennstoffgemisch (Methanol, Wasser) durch die Gemischzuführleitung (Pfeil 26) in die Brennstoffzelle 10 zu ermitteln. Das Sensormittel 34 ist mittels einer als Pfeil 36 dargestellten Steuerleitung mit der Pumpe 25 wirkverbunden und steht gleichzeitig mittels der als Pfeil 40 dargestellten Datenübertragungsleitung mit der Steuereinheit 31 in Wirkkontakt. Die Steuereinheit 31 ist ihrerseits mit der Pumpe 25 zur Einstellung der in die Brennstoffzelle 10 zu fördernde Menge an Brennstoffgemisch mittels einer als Pfeil 41 dargestellten Signalübertragungsleitung wirkverbunden. Die Einstellung der Fördermenge an Brennstoffgemisch mittels der Steuereinheit 31 kann auf der Grundlage von weiteren Betriebsdaten erfolgen, welche mittels der als Pfeil 42 dargestellten Datenübertragungsleitung an die Steuereinheit 31 übertragen werden.

Diese Vorrichtung zur Zuführung des Brennstoffgemischs, bestehend aus Methanol und einem Methanol-Wasser Gemisch, in die Brennstoffzelle 10 ist besonders vorteilhaft, da eine nicht erwünschte Frostbildung von Wasser in der Vorrichtung verhindert beziehungsweise die Gefahr einer derartigen Frostbildung herabgesetzt wird. Ferner können zum einen unverbrauchte Brennstoffe (Methanol, Wasser) aus dem Abgas (Anodenabgas) der Brennstoffzelle 10 in einem Brennstoffgemischkreislauf in selbige zurückgeführt werden und gleichzeitig eine zuverlässige Ermittlung des jeweils vorliegenden Mischverhältnisses des Brennstoffgemischs und eine geregelte Einstellung des gewünschten Mischverhältnisses ermöglicht wird. Dabei ist es auch von Vorteil, wenn das Meßmittel 28, 29 geeignet ist zur kontinuierlichen Messung des Methanolgehalts im Brennstoffgemisch und die Steuereinheit 31 als Online-Steuerung ausgebildet ist. Die geregelte Einstellung des Mischverhältnisses des Brennstoffgemischs kann als Funktion der jeweils vorliegenden Betriebslast erfolgen, so dass mittels der gesteuerten Dosiereinheit 37 nicht nur Verluste von Methanol und/oder Wasser ausgeglichen werden können, sondern auch sich während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 einstellende, schnelle Lastwechsel mit entsprechend einzustellenden Konzentrationsänderungen von Methanol im Brennstoffgemisch berücksichtigt werden können. Eine derartige Steuerung zur Einstellung des Mischverhältnisses des Brennstoffgemischs ist in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen-Systemen einsetzbar, welche mit flüssigem Brennstoffgemisch oder mit gasförmigem Brennstoffgemisch betreibbar sind. Bei Betreiben der Brennstoffzelle mit einem gasförmigen Brennstoffgemisch ist die Mischkammer vorzugsweise als Verdampfer ausgebildet.

Claims (7)

1. Verfahren zum Beaufschlagen eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen, wobei ein erster Brennstoffbestandteil Wasser ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung und/oder Zuführung von Wasser in Form eines Gemischs mit einem in Bezug auf Wasser gefrierpunktsenkenden, zweiten Brennstoffbestandteil erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brennstoffbestandteil Methanol ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffgemisch ein Anodenabgas der Brennstoffzelle (10) ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung des Brennstoffgemischs mit dem Gemisch aus Wasser und dem zweiten Brennstoffbestandteil stromaufwärts eines Kondensators (12) mittels Einspritzen erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung des Brennstoffgemischs mit dem Gemisch aus Wasser und dem zweiten Brennstoffbestandteil stromabwärts eines Kondensators (12) erfolgt.

6. Vorrichtung zur Beaufschlagung eines für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Brennstoffgemischs mit Brennstoffbestandteilen, wobei ein Vorratsbehälter zur Aufnahme eines Methanol-Wasser-Gemischs und eine Zuführleitung zur Beaufschlagung des Methanol-Wasser-Gemischs vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (16) als Brennstoffgemisch- Vorratsbehälter und die Zuführleitung (17, 19) als Brennstoffgemisch- Zuführleitung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle als Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ausgebildet ist.