DE10024531A1

DE10024531A1 - Brennstoffzellensytem

Info

Publication number: DE10024531A1
Application number: DE10024531A
Authority: DE
Inventors: Lothar Matejcek
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2001-09-13

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem, bei dem Methanol in flüssiger Form den Brennstoffzellen zuführbar ist (sogenanntes DMFC-System (Direct Methanol Fuel Cell System)) mit einem einen Vorrat an Methanol enthaltenden Behälter, einer zur Führung von flüssigem Methanol ausgelegten Leitung, die vom Behälter zu den Brennstoffzellen führt, einer weiteren Leitung, die von den Brennstoffzellen zurück in den Behälter führt, einer in der weiteren Leitung vorgesehenen Düse sowie einer im Leitungssystem vorhandenen, druckerhöhenden Pumpe zeichnet sich dadurch aus, daß die Pumpe in der vom Behälter zu den Brennstoffzellen führenden Leitung angeordnet ist, wobei ein Kühler vorzugsweise in der vom Behälter zu den Brennstoffzellen führenden Leitung angeordnet ist. Auf diese Weise gelingt es, die Brennstoffzellen mit einem flüssigem Brennstoff zu versorgen, der mit CO¶2¶ untersättigt ist und somit das in den Brennstoffzellen entstehende CO¶2¶ aufnehmen kann, so daß möglichst wenig gasförmiges CO¶2¶ im Brennstoffzellensystem enthalten ist und hierdurch die Leistung des Systems erhöht werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, bei dem Brennstoff, beispielsweise Methanol, in flüssiger Form den Brennstoffzel len zuführbar ist (sogenanntes DMFC-System (Direct Methanol Fuel Cell System)) mit einem einen Vorrat an Brennstoff aufnehmenden Behälter, einer zur Führung von flüssigem Brennstoff ausgelegten Leitung, die vom Behälter zu den Brennstoffzellen führt, einer weiteren Leitung, die von den Brennstoffzellen zurück in den Behälter führt, einer in der weiteren Lei tung vorgesehenen Düse sowie einer im Leitungssystem vorhandenen, druckerhöhenden Pumpe.

Ein Brennstoffzellensystem dieser Art ist aus der DE 197 45 773 A1 be kannt.

Wie dort beschrieben ist, gibt es verschiedene Arten von Brennstoffzellen, unter anderem sogenannte SOFC-Brennstoffzellen, die bei Betriebstempe raturen von bis zu 1000°C arbeiten, und sogenannte PEM-Brennstoff zellen, die eine Betriebstemperatur von etwa 80°C haben.

Auch sind Systeme bekannt bei denen ein flüssiger Brennstoff, wie Methanol, an der Anode einer PEM-Brennstoffzelle mittels eines Kataly sators wie Platin oxidiert werden kann, wodurch Wasserstoff freigesetzt wird.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit solchen Brennstoffzellen, bei denen Brennstoff in flüssiger Form zugeführt wird. Als Brennstoff kommt hier vor allem Methanol, aber auch andere Kohlenwasserstoffe, bspw. Hydrazine in Frage. Auch Mischungen aus Kohlenwasserstoffen und Was ser können als flüssige Brennstoffe verwendet werden. Der flüssige Brenn stoff wird auf der Anodenseite der Brennstoffzellen diesen zugeführt.

Bei Anwendung von Methanol als Brennstoff besteht die Flüssigkeit, die den Brennstoffzellen zugeführt wird, üblicherweise aus 3% CH₃OH und 97% H₂O. Durch die Reaktion mit Wasser wird ein Teil der CH₃OH in CO₂ umgewandelt, so daß das die Brennstoffzellen verlassende Gemisch aus H₂O, CH₃OH und CO₂ besteht:

CH₃OH + H₂O → 6H^⊕ + 6e^⊖ + CO₂. 1

Die so erzeugten Protonen diffundieren durch die Membran zu der Katho denseite der Brennstoffzelle hindurch, während die Elektronen über den externen Stromkreis zu der Kathodenseite gelangen. Die Protonen und Elektronen kombinieren mit der der Kathodenseite zugeführten Sauerstoff nach der Gleichung:

6H^⊕ + 6e^⊖ + 3O₂ : 2 → 3H₂O 2

und bilden somit Wasser. Dieses Wasser wird üblicherweise dem Brenn stoff zugeführt, beispielsweise zurückgeführt, da Wasser für die Reaktion nach Gleichung 1 benötigt wird.

Der Brennstoff wird häufig überstochiometrisch der Brennstoffzelle zuge führt, so daß er nicht vollständig umgesetzt wird. Flüssiger Brennstoff tritt daher aus den Brennstoffzellen aus.

In einem solchem DMFC-System muß das auf der Anodenseite als Pro dukt anfallende CO₂ aus dem Anodenkreislauf ausgeschleust werden. Ne ben Gasblasen in der Flüssigkeit, die vergleichsweise leicht zu separieren sind, ist auch eine gewisse Menge CO₂ in der Flüssigkeit gelöst. Die Anwe senheit des Reaktionsproduktes CO₂, das teilweise in gelöster Form und teilweise als Gasbläschen vorliegt, in der Brennstoffzelle beeinflußt die Leistung der Brennstoffzelle in nachteiliger Weise. Aus diesem Grund wird nach der eingangs genannten Schrift DE 197 45 773 A1 versucht, das CO₂ aus dem Kreislauf dadurch zu entfernen, daß der Druck des die Brennstoffzellen verlassenden Gemisches erhöht und anschließend ent spannt wird, mit dem Ziel, daß bei der Entspannung das Gas, das in der Flüssigkeit gelöst ist, in die Gasphase übergeht und somit leicht von den flüssigen Bestandteilen getrennt werden kann.

Die Anordnung gemäß DE 197 45 773 A1 ist jedoch nachteilig, da die Druckerhöhung und anschließende Entspannung in der Leitung angeord net ist, die von den Brennstoffzellen zum Behälter führt. Es ist zwar rich tig, daß durch die an der Düse auftretende Entspannung CO₂ aus der Lö sung entweicht, jedoch beschränkt sich die Menge im Prinzip auf die Men ge, die an der vor der Düse angeordneten Pumpe durch die Druckerhö hung zusätzlich in Lösung gegangen ist. Das Gemisch stromabwärts der Düse enthält immer noch gelöstes CO₂ und andere Gase. Im Behälter stellt sich ein Gleichgewicht ein, wonach das den Behälter verlassende Gemisch entsprechend dem dort herrschenden Druck und der dort herr schenden Temperatur mit CO₂ gesättigt ist. Das gesättigte Gemisch wird anschließend der Brennstoffzelle zugeführt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, das eingangs genannte System so zu verbessern, daß die den Brennstoffzellen zugeführte Flüssigkeit mit CO₂ untersättigt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Pumpe in der vom Behälter zu den Brennstoffzellen führenden Leitung angeordnet ist. Die Düse soll jedoch an der bisher gewählten Stelle in der weiteren Leitung verbleiben.

Aus physikalischer Sicht wird umso weniger CO₂ in einer Flüssigkeit ge löst, je höher die Temperatur und je geringer der Druck ist. Die Anord nung gemäß der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, daß das Ge misch, das den Behälter verläßt und mit CO₂ gesättigt ist, durch die Pumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht wird und damit automatisch untersättigt ist. Somit kann das Gemisch in der Brennstoffzelle CO₂ lösen in einer Menge, die dem höheren Druck entspricht. An der Düse wird das Gemisch wieder entspannt, und das in der Flüssigkeit gelöste CO₂ geht in die Gasphase über. Somit kann ein Teil des gelösten CO₂ erfindungsge mäß abgetrennt und aus dem System entfernt werden, so daß die Flüssig keit, die zu den Brennstoffzellen gelangt, tatsächlich untersättigt ist.

Dies ist für den Betrieb der Brennstoffzellen von Vorteil, weil ein Teil des Reaktionsproduktes CO₂ jetzt in der untersättigten Flüssigkeit aufgelöst werden kann und nicht als Gas ausgetragen werden muß.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Kühler in der vom Behälter zu den Brennstoffzellen führenden Leitung angeord net, wobei der Kühler vorzugsweise vor der Pumpe angeordnet ist, jedoch auch nach der Pumpe angeordnet werden kann.

Diese Ausführungsform berücksichtigt die Tatsache, daß bei geringeren Temperaturen mehr CO₂ in Lösung geht, so daß durch Kühlung der in die Brennstoffzellen eintretenden Flüssigkeit diese mehr CO₂ aufnehmen kann.

Während man zwar beim Stand der Technik bemüht ist, CO₂ aus dem Sy stem abzutrennen, gelingt es erst mit der Erfindung, eine mit CO₂ unter sättigte Flüssigkeit den Brennstoffzellen zuzuführen, so daß die Flüssig keit tatsächlich imstande ist, CO₂ in den Brennstoffzellen aufzunehmen und die Menge an gasförmigem CO₂ herabzusetzen.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den weite ren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnung, die eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensy stems der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei jedoch der Einfachheit hal ber der Luft-/Sauerstoffkreislauf nicht angedeutet ist, sondern lediglich der Kreislauf des flüssigen Brennstoffs, vorzugsweise Methanol.

In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Stapel von Brennstoff zellen gekennzeichnet, denen über eine Leitung 12 Methanol aus einem Behälter 14 mittels einer druckerhöhenden Pumpe 16 zugeführt wird. Die Zeichnung zeigt auch eine weitere Leitung 18, die über eine Düse 20 zu rück in den Behälter 14 führt und vorzugsweise eine Mündung 22 auf weist, die sich im unteren Bereich des Behälters befindet und nach oben weist. Die Mündung 22 ist vorzugsweise an einer Stelle angeordnet, die höher liegt als der maximale Füllstand des Methanols. Hierdurch fällt die Flüssigkeit, d. h. das Gemisch aus Methanol und Wasser, nach unten und trennt sich vom gasförmigen CO₂, das sich im oberen Teil des Behälters sammelt. Vorteilhafter Weise weist die Mündung 22 der Leitung nach un ten, so daß die Trennung durch Schwerkraft begünstigt wird.

Das Bezugszeichen 26 zeigt den eigentlichen Tank des Fahrzeuges, der zur Nachfüllung des Behälters 14 ausgelegt ist, wobei die Zuführung von flüs sigem Brennstoff, d. h. in diesem Beispiel von Methanol, aus dem Tank 26 in den Behälter 14 über die Leitung 28 und einem entsprechend ansteu erbarem Ventil 30 erfolgt. Im oberen Bereich des Behälters 14 befindet sich eine Einrichtung 32, die an sich bekannt ist und zur Abführung der sich oberhalb des Flüssigkeitspegels 24 sammelnden Gase aus dem Gas raum 34 dient.

In der Leitung 12 ist wahlweise ein Kühler 36 vorgesehen, der als Wär metauscher ausgebildet ist und dazu dient, den flüssigen Brennstoff, der den Brennstoffzellen 10 zugeführt wird, zu kühlen.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist wie folgt:
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird flüssiger Brennstoff, d. h. Methanol, mit einem gewissen Anteil an Wasser aus dem Behälter 14 über die Lei tung 12 entnommen und von der Pumpe 16 den Brennstoffzellen 10 zu geführt, wobei die Pumpe 16 für eine Druckerhöhung von beispielsweise 2 bar sorgt. Falls vorhanden, dient der Kühler 36 zur Kühlung der Flüs sigkeit, beispielsweise um etwa 5 bis 20°C.

Selbst wenn die Flüssigkeit im Behälter 14 unter den dort herrschenden Bedingungen von Temperatur und Druck mit CO₂ gesättigt ist, gelingt es, durch die Druckerhöhung, die von der Pumpe 16 erzeugt wird, und ggf. auch durch die Kühlung, die vom Kühler 36 erbracht wird, die Flüssigkeit auf ein Druck- und Temperaturniveau beim Eintreten in die Brennstoff zellen zu bringen, bei dem sie deutlich mit CO₂ untersättigt ist.

Durch die Stromerzeugung innerhalb der Brennstoffzellen 10 entsteht CO₂. Dieser kann jetzt mindestens teilweise in die untersättigte Flüssigkeit aufgenommen werden, die durch die Brennstoffzellen strömt. Somit kann die Menge an gasförmigem CO₂ in den Brennstoffzellen 10 auf ein Mini mum gehalten werden, wodurch die Leistung der Brennstoffzellen erhöht werden kann und im Vergleich zum Bauvolumen eine höhere Leistungs dichte möglich wird. Die aus den Brennstoffzellen 10 austretende Flüssig keit führt über die Leitung 18 noch unter einem erhöhten Druck zu der Düse 20. An der Düse 20 tritt jetzt eine Entspannung auf, wodurch ein Teil des in der Flüssigkeit gelösten CO₂ aus der Lösung kommt und in die Gasphase übergeht. Bei der Einspeisung des Gemisches aus Flüssigkeit und gasförmigem CO₂ in den Behälter 14 sammelt sich das aus der Mün dung 22 austretende CO₂ im Gasraum 34 und wird mittels der Einrich tung 32 in an sich bekannter Weise abgeführt.

Durch die Stromerzeugung in den Brennstoffzellen 10 wird Methanol ver braucht und die sich im Kreislauf befindliche Flüssigkeit verdünnt. Um sicherzugehen, daß ausreichend Methanol im Behälter 14 vorhanden ist, wird daher frisches Methanol vom Tank 26 über die Leitung 28 und das Ventil 30 in den Behälter 14 eingeführt, um die Methanolkonzentration innerhalb der gewünschten Grenzen zu halten. Es werden an sich be kannte Maßnahmen getroffen, um gasförmiges CO₂ aus dem Behälter 14 mittels der Einrichtung 32 zu entfernen und einen Teil des Wassers und des Methanols aus diesen CO₂-Abgasen zurück zu gewinnen.

Claims

1. Brennstoffzellensystem, bei dem ein Brennstoff, beispielsweise Methanol, in flüssiger Form den Brennstoffzellen (10) zuführbar ist (sogenanntes DMFC-System (Direct Methanol Fuel Cell System)) mit einem einen Vorrat an Brennstoff aufnehmenden Behälter (14), ei ner zur Führung von flüssigem Brennstoff ausgelegten Leitung (12), die vom Behälter (14) zu den Brennstoffzellen (10) führt, einer weite ren Leitung (18), die von den Brennstoffzellen zurück in den Behäl ter führt, einer in der weiteren Leitung vorgesehenen Düse sowie ei ner im Leitungssystem vorhandenen, druckerhöhenden Pumpe (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (16) in der vom Behälter (14) zu den Brennstoffzellen (10) führenden Leitung (12) angeordnet ist.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühler (36) in der vom Behälter (14) zu den Brennstoffzellen (10) führenden Leitung (12) angeordnet ist.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (36) vor der Pumpe (16) angeordnet ist.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler nach der Pumpe angeordnet ist.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Leitung (18) in den Behälter (14) oberhalb des Flüs sigkeitspegels mündet.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung (22) nach unten gerichtet ist.

7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine Einrichtung (32) zur Abführung von gasförmigem CO₂ aus dem Behälter (14) vorgesehen ist.

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssigen Brennstoff enthaltender Vorratstank (26) vorgese hen ist, der an den Behälter (14) direkt oder indirekt angeschlossen ist und der Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Brennstoffpegels (24) im Behälter (14) sowie der Nachführung frischen Brennstoffs dient.

9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß frischer, flüssiger Brennstoff, bei spielsweise Methanol, in die Leitung (12) eingespeist wird, die sich vom Behälter (14) zu den Brennstoffzellen führt, vorzugsweise nach einem etwaigen in der Leitung vorhandenen Kühler (36).