DE10058083A1 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, bei dem durch einfache Mittel eine Regulierung der Betriebsmittelkonzentration realisiert wird. Dadurch ist es möglich, den Brennstoffzellenstapel automatisch nahezu optimal, das bedeutet lastabhängig, gerade oberhalb der jeweiligen minimal notwendigen Betriebsmittelkonzentration zu fahren. DOLLAR A Die Erfindun basiert auf dem Effekt, daß eine einzelne Brennstoffzelle des Stapels unter sonst identischen Betriebsbedingungen eine geringere Zellspannung erzeugt. Diese wird als Stellgröße für die Zudosierung wenigstens eines Betriebsmittels, z. B. Methanol oder auch Luft, genutzt. Damit kann der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel mit preiswerten Mitteln unter nahezu optimalen Bedingungen gefahren werden.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere eine Regelung für Betriebsmittel für einen Brennstoffzellenstapel.

Stand der Technik

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft, und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff, zugeführt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbun­ den. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoff­ zellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel ge­ nannt. Dieser besteht aus den bipolaren Platten und den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten.

In einer flüssig betriebenen Direkt-Methanol-Brenn­ stoffzelle wird in den Anodenraum ein Wasser/Methanol­ gemisch eingeleitet. Zur Erzielung von technisch anwendbaren Spannungen werden Einzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet. Typische Methanolkonzentrationen liegen dabei im Bereich von 0,1 M-2 M. Im Regelfall wird das Methanol/Wassergemisch überstöchiometrisch zu­ geführt. Von besonderer Bedeutung für einen wirtschaft­ lichen Betrieb der Brennstoffzelle ist die korrekte Einstellung der Methanolkonzentration. Zu niedrige Me­ thanolkonzentrationen führen zu einem Absinken der Zellleistung aufgrund von Methanolmangel, zu hohe Kon­ zentrationen verschlechtern den Wirkungsgrad aufgrund der nutzlosen Verbrennung von diffundierendem Methanol auf der Kathodenseite. Die Methanolkonzentration muß daher geregelt werden.

Als Stand der Technik gilt eine Regelstrecke zur Regelung der Methanolkonzentration, umfassend einen Methanolsensor. Eine solche Anordnung wird in DE 198 50 720 A1 beschrieben. Beispielsweise kann in einem Kleinrechner ein Kennfeld abgelegt werden, aus dem die optimale Methanolkonzentration für den jeweili­ gen Betriebspunkt (Temperatur, elektrischer Strom, Durchflußrate) hervorgeht. Weiterhin kann eine Einheit zur Methanolzudosierung vorgesehen sein. Im Zusammen­ spiel mit dem Methanolsensor und der Methanolzudosie­ rung läßt sich über einen Regelalgorithmus die Metha­ nolkonzentration in der Zelle einstellen.

Die aus dem Stand der Technik bekannte Methanolregelung ist zwar zuverlässig, aber nachteilig mit einem erheb­ lichen baulichen und finanziellen Aufwand verbunden. Insbesondere für Kleinsysteme in einem Leistungsbereich in der Größenordnung von 10-500 W übersteigt der Auf­ wand für solch ein Regelsystem den wirtschaftlichen Rahmen. Des weiteren ist die Erstellung eines Kennfel­ des für alle möglichen Betriebsbedingungen mit großem Aufwand verbunden.

Ähnliche Probleme stellen sich bei der Regelung von Be­ triebsmitteln auf der Oxidationsseite (Kathodenseite) einer Brennstoffzelle, wobei sich dies nicht nur auf Direkt-Methanol-Brennstoffzellen beschränkt. Das Oxida­ tionsmittel, insbesondere Sauerstoff oder Luft, werden der Brennstoffzelle regelmäßig unter Druck mit Hilfe eines Kompressors zugeführt. Aus Kostengründen wäre auch hier eine Regelung für einen optimierten Betriebs­ bereich vorteilhaft.

Aufgabe und Lösung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und preiswertes Verfahren zur Regelung wenigstens eines Betriebsmittels für einen Brennstoffzellenstapel sowie einen für dieses Verfahren geeigneten Brennstoffzellen­ stapel zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Aus­ führungsformen sind den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen zu entnehmen.

Gegenstand der Erfindung

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Brenn­ stoffeinzelzelle eines Brennstoffzellenstapels so aus­ zuwählen und ggf. zu modifizieren, daß sie zur Erzie­ lung einer vorgegebenen Zellspannung eine etwas höhere Betriebsmittelkonzentration benötigt als die übrigen Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels. Bei gleicher vorliegender Betriebsmittelkonzentration für alle Zel­ len liegt die Spannung der einen modifizierten Einzel­ zelle dann regelmäßig tiefer als die der anderen. Unterschreitet die Spannung dieser Einzelzelle einen bestimmten Grenzwert, wird über eine einfache elektro­ nische Schaltung ein Betriebsmittel solange zusätzlich in den Betriebsmittelkreislauf eingegeben, bis die Zellspannung der einen modifizierten Brennstoffzelle diesen Grenzwert oder einen weiteren Grenzwert über­ schreitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 sieht daher einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brenn­ stoffzellen vor. Diese Brennstoffzellen sind durch wenigstens einen Betriebsmittelkreislauf verbunden, durch welchen die Brennstoffzellen mit dem Betriebsmit­ tel versorgt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß die Zudosierung eines Betriebsmittels in den Betriebsmittelkreislauf in Abhängigkeit von der detektierten Zellspannung erfolgt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 2 erfolgt die Zuleitung des Betriebsmittels direkt vor der Brennstoffzelle, deren Zellspannung detektiert wird. Damit tritt der Regelmechanismus besonders schnell ein, weil die direkte Zuführung des Betriebs­ mittels in die Brennstoffzelle sofort zu einer Erhöhung der Umsetzung und damit zu einer Erhöhung der Zellspan­ nung führt.

Vorteilhaft wird die Zudosierung bzw. Zuleitung des Be­ triebsmittels gemäß Anspruch 3 über ein Ventil gesteu­ ert. Dabei wird insbesondere das Über- oder Unter­ schreiten des Grenzwertes für die Zellspannung direkt in ein elektrisches Signal umgesetzt, welches das Ven­ til ansteuert.

Die Regelung der Zudosierung eines Betriebsmittels er­ folgt gemäß Anspruch 4, sobald die Zellspannung der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Dieser einfache Regelmechanismus erlaubt es, die Be­ triebsmitteldosierung in Abhängigkeit von den in der Zelle stattfindenden Umsetzungen zu regeln und zu opti­ mieren. Vorteilhaft wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Betriebsmitteldosierung direkt über die Umsetzung der Brennstoffzelle und damit der Zellspan­ nung, und nicht wie beim Stand der Technik üblich, über die Konzentration des Betriebsmittels geregelt. Daher ist es für das erfindungsgemäße Verfahren auch nicht notwendig, für verschiedene Betriebszustände und Be­ triebsparameter Kennfelder für die Konzentration eines Betriebsmittels zu ermitteln.

Um eine Überdosierung des Betriebsmittels im Betriebs­ mittelkreislauf zu vermeiden, sieht eine weitere Aus­ führungsform nach Anspruch 5 vor, die Zuleitung an Betriebsmittel zu stoppen, sobald die Zellspannung der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Wert, z. B. oberer Grenzwert, überschreitet.

Die Abfrage der Zellspannung bezüglich des unteren und oberen Grenzwertes wird vorteilhaft bei einer einzigen modifizierten Brennstoffzelle vorgenommen, um den appa­ rativen Aufwand zu minimieren. Oberer und unterer Grenzwert können sowohl identisch als auch leicht ver­ schieden sein. Selbst bei identischen Grenzwerten kommt es zu einem Regelmechanismus, da die Betriebsmitteldo­ sierung und die dadurch erfolgte Erhöhung der Zellspan­ nung erst mit zeitlicher Verzögerung auftritt. Für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels kann ein optimaler Bereich der Zellspannung bestimmt werden. Je näher die Einspeisung des Betriebsmittels an der Brennstoffzelle liegt, desto geringer ist die Verzögerungszeit, und desto näher kann der untere und der obere Grenzwert an den optimierten Bereich angepaßt werden.

Vorteilhaft wird zur Detektion der Zellspannung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 6 eine modifizierte Brennstoffzelle eingesetzt. Die in dem Verfahren nach Anspruch 6 eingesetzte modifizierte Brennstoffzelle weist gegenüber den übrigen Brennstoffzellen des Brenn­ stoffzellenstapels einen um mindestens 5% erhöhten Diffusionswiderstand auf, der dadurch eine entsprechend veränderte Zellspannung bewirkt. Modifiziert bedeutet im Sinne der Erfindung, daß diese modifizierte Brenn­ stoffzelle bei optimaler Brennstoffkonzentration für die übrigen Brennstoffzellen des Brennstoffzellensta­ pels eine wenigstens 10% geringere Zellspannung er­ zeugt. Eine solche Modifizierung kann beispielsweise durch eine dickere Diffusionsschicht erfolgen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die modifizierte Brenn­ stoffzelle für ihren optimalen Betriebspunkt eine um ca. 5 bis 10% erhöhte Methanolkonzentration gegenüber den übrigen Brennstoffzellen des Stapels benötigt.

Vorteilhaft wird das Verfahren in einer Direkt- Methanol-Brennstoffzelle mit Methanol als Brennstoff eingesetzt.

Denkbar ist das Verfahren auch zur Regelung des Oxida­ tionsmittels. Beispielsweise kann die Luft bzw. Sauer­ stoffzufuhr in einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Zellspannung einer modifizierten Zelle erfol­ gen. Dabei würde die modifizierte Zelle z. B. einen Luftkompressor ansteuern und dessen Leistung regeln.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfah­ rens nach Anspruch 9 sieht vor, die Zellspannung einer weiteren Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzel­ lenstapels zu detektieren. Diese Brennstoffzelle ist vorteilhaft nicht modifiziert. Die Zudosierung des Be­ triebsmittels wird dann in zusätzlicher Abhängigkeit von der Zellspannung dieser Brennstoffzelle geregelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell bei allen Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstapeln anwend­ bar. Es regelt dabei nicht nur die Zudosierung des Brennstoffs (reines Methanol oder auch eine hoch konzentrierte Methanol-Wasser-Mischung), sondern kann auch für die Regelung des Oxidationsmittels eingesetzt werden. Insbesondere läßt sich die Regelung durch An­ steuerung eines Kompressors, der das benötigte Oxidati­ onsmittel dann mit entsprechendem Druck zur Verfügung stellt, realisieren.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eig­ net sich ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen gemäß Anspruch 11, bei dem zumindest eine der Brennstoffzellen gegenüber den übri­ gen Brennstoffzellen des Stapels einen um wenigstens 5 % erhöhten Diffusionswiderstand aufweist. Dies bewirkt, daß diese modifizierte Brennstoffzelle bei optimalen Betriebsbedingungen der übrigen Brennstoffzellen regel­ mäßig eine um wenigstens 10% geringere Zellspannung erzeugt.

Gemäß Anspruch 12 handelt es sich bei diesem Mittel vorteilhaft um eine dickere Diffusionsschicht oder auch um eine zusätzlich angeordnete Diffusionsschicht. Eine dickere oder zusätzliche Diffusionsschicht verringert regelmäßig den Zugang des Methanols zur Anode. Damit reduziert sich regelmäßig der Umsatz. Sofern die übri­ gen Brennstoffzellen des Stapels bei annähernd optima­ len Bedingungen fahren, wird sich dadurch als Folge die Zellspannung in dieser modifizierten Brennstoffzelle gegenüber den übrigen erniedrigen.

Vorteilhaft weist der Brennstoffzellenstapel nach An­ spruch 13 ein elektrisch schaltbares Ventil auf, wel­ ches in der Zuführung des Betriebsmittels angeordnet ist. Das Ventil kann sowohl innerhalb als auch außer­ halb des Betriebsmittelkreislaufs angeordnet sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Brennstoffzel­ lenstapels nach Anspruch 14 ist die modifizierte Zelle mit dem elektrisch schaltbaren Ventil verbunden, so daß die modifizierte Zelle über ein elektrisches Signal das Ventil zu steuern vermag.

Spezieller Beschreibungsteil

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 Schematische Darstellung der automatischen Betriebsmittelkonzentrationsregelung am Beispiel eines Direkt-Methanol-Brenn­ stoffzellenstapels.

Fig. 2 Strom-/Spannungskurven für verschiedene Methanolkonzentrationen für eine Direkt- Methanol-Brennstoffzelle.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsge­ mäßen Brennstoffzellenstapels. Aus dem Vorratsgefäß 1 wird Methanol in den Anodenkreislauf 2 des Brennstoffzellenstapels, umfassend die Brennstoffzellen BZ mit den bipolaren Platten 5a bis 5e, eingeleitet. Ein Um­ wälztank 4 und eine Umwälzpumpe 3 sorgen für die gleichmäßige Durchströmung der Anoden. Über die bipola­ re Platte 5d wird zusätzlich die Zellspannung detek­ tiert. Über diese Zellspannung wird ein Schalter 6 aktiviert, der das Ventil (Pumpe) 7 zur Dosierung des Methanols steuert.

Ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstapel wird über einen Anodenkreislauf, bestehend aus Umwälzpumpe und Umwälztank, mit Brennstoff versorgt. Eine Zelle des Stapels weist eine dickere anodische Diffusionsschicht als die anderen Zellen auf. Nähert sich jetzt aufgrund des Verbrauchs die Methanolkonzentration innerhalb der Zellen in Richtung der minimal erforderlichen Methanol­ konzentration, so sinkt die Zellspannung innerhalb der modifizierten Zelle aufgrund der anodischen Diffusions­ überspannungen ab. Die Zellspannung wird über einen elektronischen Schalter erfaßt und eine Pumpe in Be­ trieb gesetzt, die aus einem Behälter Methanol in den Kreislauf einspeist.

Vorteilhaft wird die modifizierte Zelle über eine Diode abgesichert, damit ein Verpolen ausgeschlossen ist. Weiterhin ist es zu empfehlen, das zudosierte Methanol direkt in die Zuleitung der Zelle einzuspeisen. Dadurch ist eine schnelle Reaktionszeit der Regelung gewähr­ leistet. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung bedeu­ tet die Parallelschaltung eines Widerstandes zu den Po­ len der modifizierten Einzelzelle. Falls der Brennstoffzellenstapel im Leerlauf läuft, wird so die Ein­ stellung einer Methanolkonzentration nahe Null vermie­ den, die zu Anfahrschwierigkeiten führen würde.

Als Modifikation der Zelle kommt neben der Erhöhung der Diffusionsschichtdicke jede andere Möglichkeit zur Ab­ senkung des effektiven Diffusionskoeffizienten inner­ halb der Anode in Betracht. Weiterhin führt auch bei Verwendung von gleichen Elektroden die Reduzierung der aktiven Fläche zum Ziel. Das Verfahren benötigt vor­ teilhaft keine Kalibrierung.

In einer vorteilhaften Ausführung wird die Zellspannung einer weiteren Brennstoffzelle detektiert. Dabei dient die detektierte Zellspannung der nicht modifizierten Brennstoffzelle als eine weitere Stellgröße für die Re­ gulation der Zudosierung. Auf diese Weise kann verhin­ dert werden, daß beispielsweise bei einem Ausfall des Oxidationsmittels für den gesamten Stapel und einer da­ mit verbundenen sinkenden Zellspannung der modifizier­ ten Brennstoffzelle, trotzdem Betriebsmittel zudosiert wird. Die Detektion der Zellspannung einer weiteren Brennstoffzelle stellt sicher, daß nur bei einem rela­ tiven Absinken der Zellspannung der modifizierten Zelle aufgrund einer zu geringen Betriebsmittelkonzentration Betriebsmittel zudosiert wird. So kann beispielsweise auch eine Überdosierung verhindert werden, da in einem solchen Fall sowohl die Zellspannung der modifizierten Zelle als auch der nicht modifizierten Zelle absinken würde.

Die nachfolgende Tabelle zeigt eine vorteilhafte Mög­ lichkeit der Verschaltungslogik für einen Direkt- Methanol-Brennstoffzellenstapel.

In der Fig. 2 sind vier Strom/Spannungskurven für eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle dargestellt, wobei die Brennstoffkonzentration im Bereich von 0,5 M bis 4 M Methanol in Wasser variiert. Sowohl zu geringe als auch zu hohe Konzentrationen an Methanol führen zu einer Ab­ senkung der Zellspannung und machen das System damit unwirtschaftlich. Das Ziel ist es, je nach Betriebsbe­ dingungen (z. B. vorgegebenem Stromabgriff) dem System eine optimale Methanolkonzentration zuzuführen. Optimal bedeutet dabei, mit einer möglichst geringen Methanol­ konzentration eine möglichst hohe Zellspannung in den Brennstoffzellen zu erzeugen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensta­ pels mit mehreren Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzellen über wenigstens einen Betriebsmit­ telkreislauf verbunden sind, mit den Schritten

• - die Zellspannung einer Brennstoffzelle wird de­ tektiert,
• - in Abhängigkeit von dieser Zellspannung wird ein Betriebsmittel in den Betriebsmittelkreislauf zudosiert.

2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsmittel direkt in die Zuleitung der modifizierten Brennstoffzelle zudosiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zudosierung des Betriebsmittels in den Betriebsmittelkreislauf über ein Ventil erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsmittel zudosiert wird, sobald die Zellspannung der modifizierten Brennstoffzelle einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zudosierung des Betriebsmittels gestoppt wird, sobald die Zellspannung der Brennstoffeinzel­ zelle einen vorgegebenen Wert überschreitet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellspannung einer modifizierten Brenn­ stoffzelle detektiert wird, dessen Diffusionswider­ stand um wenigstens 5% höher ist, als der der üb­ rigen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Methanol als Betriebsmittel zudosiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zudosierung des Betriebsmittels über die Ansteuerung eines Luftkompressors erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellspannung einer weiteren Brennstoff­ zelle detektiert wird, und die Dosierung des Be­ triebsmittels zusätzlich in Abhängigkeit von dieser Zellspannung erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstapel eingesetzt wird.

11. Brennstoffzellenstapel mit mehreren Direkt- Methanol-Brennstoffzellen und wenigstens einem Be­ triebsmittelkreislauf, gekennzeichnet durch wenigstens eine modifizierte Brennstoffzelle, die im Vergleich zu den übrigen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels einen um wenigstens 5% er­ höhten Diffusionswiderstand aufweist.

12. Brennstoffzellenstapel nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die modifizierte Brennstoffzelle eine zusätz­ liche oder dickere anodische Diffusionsschicht auf­ weist als die übrigen Brennstoffzellen.

13. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche 11 bis 12, gekennzeichnet durch ein Ventil in der Betriebsmittelzuführung.

14. Brennstoffzellenstapel nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch eine elektrische Kontaktierung zwischen der modifi­ zierten Brennstoffzelle und dem Ventil.

15. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch eine weitere elektrische Kontaktierung zwischen einer weiteren Brennstoffzelle und dem Ventil.