DE10039959A1 - Verfahren zur Regelung der Brennstoffkonzentration in der Anodenflüssigkeit einer Brennstoffzelle und zugehörige Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einer Brennstoffzelle, bei der an der Anode einerseits und an der Kathode andererseits jeweils ein Abgas anfällt, wird erfindungsgemäß die Kohlendioxidkonzentration im Kathodenabgas gemessen und damit der über die Membran der Brennstoffzelle entstehende Brennstoffverlust erfasst. Dazu ist bei der zugehörigen Vorrichtung ein Kohlendioxidsensor (16) im Gasstrom angeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Brennstoffkonzentration in der Anodenflüssigkeit einer Brenn­ stoffzelle mit Anode, Membran und Kathode, bei der an der A­ node einerseits und an der Kathode andererseits jeweils ein Abgas anfällt. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung, mit den notwendigen Mitteln zur Durchfüh­ rung des Verfahrens. Bei der Erfindung ist der Brennstoff vorzugsweise, aber nicht ausschließlich Methanol.

Brennstoffzellen werden mit flüssigen oder gasförmigen Brenn­ stoffen betrieben. Sofern die Brennstoffzelle mit Wasserstoff arbeitet, ist eine Wasserstoff-Infrastruktur oder ein Refor­ mer zur Erzeugung des gasförmigen Wasserstoffes aus dem flüs­ sigen Brennstoff notwendig. Flüssige Brennstoffe sind z. B. Benzin oder Alkohol, wie Ethanol oder Methanol. Eine sog. DMFC ("Direct Methanol Fuel Cell") arbeitet direkt mit flüs­ sigem Methanol als Brennstoff.

Brennstoffzellenanlagen bestehen aus einer großen Anzahl ein­ zelner Brennstoffzelleneinheiten, die zusammen einen Brenn­ stoffzellenstapel bilden, welcher in der Fachwelt auch als Brennstoffzellenstack oder auch kurz als "Stack" bezeichnet wird. Bei der mit Methanol als Brennstoff betriebenen Direkt- Methanol-Brennstoffzelle fallen in der Brennstoffzelle an der Anode einerseits und an der Kathode andererseits Abgase an.

In der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) wird auf der Anodenseite der Brennstoff Methanol mit Wasser gemischt und mittels einer Dosierpumpe durch den Stack gepumpt. Das Metha­ nol wird dabei zum Teil durch die Anodenreaktion verbraucht und es entsteht Kohlendioxid. Ein anderer Teil des Methanols wird durch Permeation und Elektroosmose durch die Membran zur Kathode transportiert und am Katalysator der Kathode direkt zu Kohlendioxid oxidiert.

Die Anodenflüssigkeit mit dem Gas/Dampf-Gemisch wird nach Austritt aus der Anode in Gas und Flüssigkeit getrennt. So­ viel weiteres Kohlendioxid wie möglich wird aus der Flüssig­ keit entfernt und dann wird die Flüssigkeit mittels der Pumpe wieder der Anode zugeführt. Damit die Methanolkonzentration dieser Flüssigkeit nicht zu gering wird, muss Methanol im ausreichenden Ausmaß hinzudosiert werden. Die dem elektri­ schen Strom entsprechende Menge des Methanols kann aus dem Stromfluss errechnet werden, die zusätzliche Menge, die den Verlust über die Elektroosmose und Permeation ersetzt, ist aber qualitativ nicht fassbar, so dass die Anodenflüssigkeit eine zu geringe Konzentration aufweisen würde.

Letzteres Problem kann mit einem konstanten Überschussfaktor gelöst werden. Da aber die Verluste im Einzelnen von der Be­ triebsweise der methanolgespeisten Brennstoffzelle abhängen, da sich die Elektroosmose und die Permeation je nach Strom­ dichte in der Zelle unterschiedlich überlagern, wird sich ü­ ber längere Zeit entweder Methanol anreichern oder bei zu ge­ ringem Überschuss die Methanolkonzentration nicht ausreichend sein. In diesem Fall ist die Gefahr des Umpolens der schlech­ ter versorgten Zellen des Brennstoffzellenstacks sehr hoch. Ein Umpolen der Zellen kann aber zu nicht regenerierbarer Schädigung der Zelle führen.

Beim Stand der Technik wird die Methanolmenge bei der Direkt- Methanol-Brennstoffzelle über den Stromfluss berechnet und um einen konstanten Faktor, z. B. 1,5 oder 2,0, erhöht. Damit werden die Methanolverluste ausgeglichen, wobei in Kauf ge­ nommen wird, dass die Methanolkonzentration nicht optimal für die jeweilige Stromdichte ist. Da das Methanol eher im Über­ schuss dosiert werden muss, um die Unterversorgung und damit die Gefahr des Umpolens zu vermeiden, ist der Methanolverlust größer als notwendig

Ganz allgemein gilt, dass der Wirkungsgrad des beschriebenen Brennstoffzellensystems mit obigem Betriebskonzept nicht op­ timal ist und einer Verbesserung bedarf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Regelung der Brennstoffkonzentration in der Ano­ denflüssigkeit einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle verbes­ sert wird, und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist durch den Patentanspruch 6 gekennzeichnet. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen an­ gegeben.

Bei der Erfindung kann durch die Messung der Kohlendioxid­ konzentration im Kathodenabgas kann der Brennstoffverlust - über die Membran erfasst werden. Zur Messung der Konzentrati­ on wird ein handelsüblicher Sensor verwendet, der im Gasstrom z. B. nach Kühler und Vordruckregler angebracht ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich durch die Figurenbeschreibung an Hand der Zeichnung in Ver­ bindung mit den Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine einzelne Einheit speziell ei­ ner DMFC-Brennstoffzelle mit den zugehörigen Systemkomponen­ ten, die für den Betrieb dieser Brennstoffzelle notwendig sind.

In der Fig. 1 ist ein Methanoltank 1 mit einer nachfolgenden Dosierpumpe 2 und einer Heizung 3 dargestellt, über die das flüssige Methanol als Betriebsstoff zur Brennstoffzellen- Einheit 10 gelangt. Die Brennstoffzellen-Einheit 10 ist in der Modifikation als Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC = Direct Methanol Fuel Cell) realisiert und im Wesentlichen durch eine Anode 11, eine Membran 12 und eine Kathode 13 cha­ rakterisiert. Dem Anodenteil ist ein Kühler 4, ein CO₂-Ab­ scheider 5, eine Einheit 6 zur Rektifikation und ein Metha­ nolsensor 8 zugeordnet.

Auf der Kathodenseite ist ein Verdichter 14 für Luft, ein Kühler bzw. Wasserabscheider 15 für die Kathodenflüssigkeit und ein CO₂-Sensor 16 vorhanden. Weiterhin sind für den Be­ trieb der Anlage eine Einheit 25 zur Steuerung/Regelung der Brennstoffzellen-Einheit 10 sowie gegebenenfalls ein elektri­ scher Wechselrichter 26 vorhanden.

Der CO₂-Sensor 16 in der Figur ist ein handelsüblicher Sen­ sor, der im Gasstrom vorteilhafterweise nach dem Kühler 15 und dem vorhandenen Vordruckregler angebracht ist. Die CO₂- Konzentration wird damit molar gemessen.

Einem Mol Kohlendioxid entspricht dabei auch ein Mol Metha­ nol. Die Luftmenge auf der Kathodenseite ist bekannt durch die Kompressorleistung bzw. kann durch die Messung des Luft­ durchflusses bestimmt werden.

Ein gewisse systematischer Fehler steckt in der mit dem Sen­ sor bestimmte Kohlendioxidmenge, da ein geringer Anteil des Kohlendioxids, das an der Anode durch die elektrochemische Umsetzung entsteht, durch die Membran zur Kathode diffun­ dieren kann, so dass die verwendete Luft eine geringe und unter Umständen auch geringfügig schwankende Kohlendioxid­ konzentration besitzt. Da für das Kohlendioxid aber keine zu­ sätzliche Elektroosmose wirksam wird, wie es bei dem Methanol der Fall ist, ist dieser Fehler tolerierbar.

Die Dosierung des Methanols ergibt sich aus dem geflossenen Strom und ist additiv aus der Kohlendioxidkonzentration auf der Kathodenseite zu berechnen. Für einen zuverlässigen Betrieb, je nach Membran-Elektrolyt-Anoden(MEA)- und Stack­ eigenschaften, kann dann dieser Basis aus dem Faraday'schen Strom einerseits und dem Verluststrom andererseits ein zu­ sätzlicher Methanolfluss hinzugefügt werden. Das Lambda für Methanol wird dann je nach Erfordernis auf 1,05 bis 1,5 er­ höht.

Bei dem in der Figur dargestellten System und dem an Hand der Figur beschriebenen Betriebskonzept ist die additive Verwen­ dung der Kohlendioxidkonzentration auf der Kathodenseite in der Abluft zur Steuerung des Brennstoffzellensystems wesent­ lich. Es ist nicht mehr zwingend erforderlich, die Methanol­ konzentration im Brennstoffkreislauf zu messen.

In der Praxis wird die DMFC mit einem Kohlendioxidsensor im Abgas ausgerüstet. Zur Verifizierung wurden Kennlinien­ messungen erfolgreich durchgeführt.

Die vorstehend anhand einer mit Methanol als Brennstoff be­ triebenen DMFC beschriebene Problemlösung lässt sich auch mit anderen Brennstoffen betriebene Brennstoffzellen übertragen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung der Brennstoffkonzentration in der Anodenflüssigkeit einer Brennstoffzelle mit Anode, Membran und Kathode, bei der an der Anode einerseits und an der Ka­ thode andererseits jeweils ein Abgas anfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlendioxidkonzent­ ration im Kathodenabgas gemessen wird und der über der Mem­ bran anfallende Brennstoffverlust erfasst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Brennstoff Methanol ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlendioxidkonzen­ tration mittels eines Sensors, der im Gasstrom angeordnet ist, gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass im Gasstrom nach im Fluidkreislauf vorhandenen Einheiten zum Kühlen und Regelung des Vordruckes gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die bei der Messung ermittelte Koh­ lendioxidkonzentration in Methanol umgerechnet wird, wobei ein Mol Kohlendioxid einem Mol Methanol entspricht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einem Kohlendioxid­ sensor (16), der im Gasstrom angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Sensor (16) im Gasstrom nach einem darin angebrachten Kühler (15) eines ggf. vorhan­ denen Vordruckreglers angebracht ist.