DE102004052806B4

DE102004052806B4 - Direktmethanolbrennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102004052806B4
Application number: DE102004052806A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schirmer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: DE102004052806A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Direktmethanolbrennstoffzellensystems (10; 20; 30), bei dem mindestens einer Brennstoffzelle (1) anodenseitig ein Methanol enthaltendes flüssiges Medium und kathodenseitig ein Oxidator zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenabnahme des gesamten flüssigen Mediums gemessen wird und daß der Methanol-Verbrauch aus der gemessenen Volumenabnahme gemäß einem linearen Zusammenhang mit einem temperaturabhängigen Faktor ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Direktmethanolbrennstoffzellensystems, bei dem mindestens einer Brennstoffzelle anodenseitig ein Methanol enthaltendes flüssiges Medium und kathodenseitig ein Oxidator zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Direktmethanolbrennstoffzellensystem für die Umsetzung von Methanol mit einem Oxidator, umfassend mindestens eine mit einem Methanol enthaltenden flüssigen Medium betriebene Brennstoffzelle.
Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) bieten den Vorteil, daß sie mit einem flüssigen Brennstoff betrieben werden können, der drucklos und mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand gelagert und bereitgestellt werden kann. Dadurch sind solche Systeme insbesondere für einen mobilen Einsatz, zum Beispiel in Kraftfahrzeugen, sehr attraktiv.
Beim Betrieb von Direktmethanolbrennstoffzellen mit flüssigem Brennstoff wird der Anode in der Regel ein Methanol-Wasser-Gemisch zugeführt, wobei in Bezug auf das an der Anode umgesetzte Methanol meist ein Überschuß an Methanol erforderlich ist. Um einen hohen Verlust an Brennstoff zu vermeiden, wird das Methanol-Wasser-Gemisch in einem Kreislauf geführt, um so unverbrauchtes Methanol erneut der Anode zuzuführen. In Abhängigkeit vom Methanol-Verbrauch wird dem Kreislauf reines Methanol zudosiert.
Ist die Methanol-Konzentration zu hoch, kommt es zu einem elektroosmotischen Übertritt von Methanol durch einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyt zur Kathode (Methanol Drag). Dort erfolgt eine nicht nutzbare direkte Oxidation des Methanols durch Sauerstoff. Um den hierdurch bedingten Brennstoffverlust möglichst gering zu halten und einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle zu gewährleisten, sollte die Methanol-Konzentration nach Möglichkeit bei einem konstanten Wert gehalten werden. Dies macht eine verbrauchsabhängige Steuerung und/oder Regelung der Konzentration erforderlich.
Dies kann einerseits dadurch erfolgen, daß die Methanol-Konzentration direkt durch Methanolsensoren bestimmt wird, bei denen konzentrationsabhängige Parameter des Methanol-Wasser-Gemisches gemessen werden.
In der DE 199 38 790 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mit dem Methanol-Wasser-Gemisch einer Direktmethanolbrennstoffzelle als Dielektrikum die Kapazität eines Kondensators gemessen wird, daraus die Dielektrizitätskonstante des Gemisches ermittelt und dann die Methanol-Konzentration bestimmt wird.
Die Methanol-Konzentration kann auch über die Wärmekapazität des Methanol-Wasser-Gemisches bestimmt werden. Bei einem in der DE 199 48 908 A1 beschriebenen Verfahren wird ein Methanol-Wasser-Gemisch mit konstanter Fließgeschwindigkeit durch eine Heizstrecke gefördert, dem Gemisch eine bekannte Wärmemenge zugeführt, die Temperaturdifferenz zwischen Beginn und Ende der Heizstrecke gemessen und daraus die Methanol-Konzentration bestimmt.
Auch über die Siedetemperatur kann die Methanol-Konzentration ermittelt werden. Bei dem Verfahren gemäß der DE 199 45 928 C1 wird ein Teil des Methanol-Wasser-Gemisches abgetrennt und gegen einen vorgegebenen Druck gefördert, der abgetrennte Teil des Gemisches wird zum Sieden erhitzt, die Siedetemperatur gemessen und daraus der Stoffmengenanteil des Methanols im Gemisch ermittelt.
In der US 6,488,837 B1 ist ein elektrochemischer Methanolsensor beschrieben, bei dem Methanol elektrolytisch zu Kohlendioxid und Wasserstoff zersetzt wird. Da der Sensor unter den Bedingungen einer Massentransportlimitierung betrieben wird, ist der gemessene Strom eine Funktion der Methanol-Konzentration.
Gemäß der WO 03/012904 A2 kann die Methanol-Konzentration auch ohne einen zusätzlichen Methanolsensor geregelt werden, indem durch kleine Variationen der Systemgrößen Strom und Methanol-Konzentration die charakteristischen Strom-Spannungskennlinien der Brennstoffzelle abgetastet und daraus Informationen zur Regelung gewonnen werden.
In der US 2004/0175598 A1 sind verschiedene Methoden und Systeme genannt, die zur Bestimmung des Methanol- und/oder Wasserverbrauchs bei einer Direktmethanolbrennstoffzelle eingesetzt werden können. Diese beruhen auf dem vorhergesagten Verbrauch, auf der gemessenen oder überwachten Konzentration in einem Tank mit verdünntem Brennstoff, auf der Leistung einer oder mehrerer Brennstoffzellen oder auf anderen Konzentrationssensoren und Füllstandsmessern.
Die WO 01/22512 A2 offenbart ebenfalls eine Brennstoffzellenanlage und ein zugehöriges Betriebsverfahren. Nach einer Ausführungsform werden abgetrenntes Wasser und/oder Methanol einem in der Anlage enthaltenen Tank zugeführt. Dabei ist vorteilhafterweise ein Analysengerät wie ein Sensor in dem Tank und/oder in einer Zuleitung enthalten, das zum einen die Flüssigkeitsmenge des Tanks und dessen Temperatur und zum anderen die Zusammensetzung und/oder Reinheit der Flüssigkeit und/oder des über der Flüssigkeit stehenden Gasgemisches angibt.
Die EP 1 383 191 A1 befasst sich mit Möglichkeiten, die in einem Direktmethanolbrennstoffzellensystem vorhandene Wassermenge möglichst konstant zu halten, damit die Notwendigkeit einer gesonderten Wasserzufuhr vermieden werden kann. Hierzu wird eine Fluidtrenneinrichtung vorgeschlagen, so dass die Menge der in dieser Fluidtrennvorrichtung gesammelten Flüssigkeit mittels einer Messeinrichtung bestimmt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem der Methanol-Verbrauch auf einfache und zuverlässige Weise bestimmt wird.
Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Volumenabnahme des gesamten flüssigen Mediums gemessen wird und daß der Methanol-Verbrauch aus der gemessenen Volumenabnahme gemäß einem linearen Zusammenhang mit einem temperaturabhängigen Faktor ermittelt wird.
Durch den Verbrauch von Methanol und die Bildung von Wasser nimmt das Gesamtvolumen des in dem Brennstoffzellensystem befindlichen flüssigen Mediums ab. Dabei besteht bei üblicherweise vorliegenden Bedingungen ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen der Volumenabnahme und dem Methanol-Verbrauch.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Bestimmung des Methanol-Verbrauchs auf einfache Weise, da die Messung von Volumina und/oder Volumenänderungen mit einfachen, allgemein verfügbaren Mitteln realsierbar ist und aus den entsprechenden Meßwerten der Methanol-Verbrauch unmittelbar berechnet werden kann.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit aus, da Volumina sehr genau gemessen werden können. Auch die Störanfälligkeit des Meßverfahrens gegenüber Einflußgrößen wie Druck oder Fließgeschwindigkeit des flüssigen Mediums ist sehr gering.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß für die Messung der Volumenabnahme keine Kalibrierung anhand von Referenzwerten durchgeführt werden muß. Es müssen auch keine Kennlinien erstellt und abgespeichert werden. Der steuer- und regelungstechnische Aufwand ist daher gering.
Die Messung der Volumenabnahme des flüssigen Mediums kann unmittelbar durchgeführt werden, ohne daß Proben des Mediums abgetrennt werden müssen. Dies erlaubt eine Messung ohne zeitliche Verzögerungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich aufgrund des geringen technischen Aufwandes sehr kostengünstig realisieren und ist damit auch für kleinere Brennstoffzellensysteme wirtschaftlich attraktiv.
Das flüssige Medium umfaßt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt ein Methanol-Wasser-Gemisch.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Methanol-Konzentration in dem flüssigen Medium durch Zugabe einer dem Methanol-Verbrauch entsprechenden Menge an Methanol eingestellt.
Dadurch kann die Methanol-Konzentration wieder auf den ursprünglichen Wert erhöht werden.
Vorzugsweise wird die Methanol-Konzentration in Abhängikeit vom Methanol-Verbrauch gesteuert und/oder geregelt. Da die Bestimmung des Methanol-Verbrauchs ohne zeitliche Verzögerung durchgeführt werden kann, ist damit auch eine schnelle und präzise Steuerung und/oder Regelung der Methanol-Konzentration möglich.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens ein Teil des flüssigen Mediums in einem Fluidkreislauf zwischen einem Anodenraum und/oder einem Kathodenraum und einem oder mehreren Aufnahmeräumen für flüssiges Medium geführt. Durch den Fluidkreislauf kann unverbrauchtes Methanol erneut dem Anodenraum zugeführt werden. Der oder die Aufnahmeräume dienen dabei als Puffervolumina für Volumenänderungen des flüssigen Mediums.
Flüssiges Medium vom Kathodenraum und vom Anodenraum kann einem gemeinsamen Aufnahmeraum zugeführt werden. Dadurch wird eine kompakte Bauweise des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
Alternativ wird flüssiges Medium vom Kathodenraum einem ersten Aufnahmeraum zugeführt und flüssiges Medium vom Anodenraum einem zweiten Aufnahmeraum zugeführt. In diesem Fall umfaßt das dem ersten Aufnahmeraum zugeführte flüssige Medium im Wesentlichen Wasser und das dem zweiten Aufnahmeraum zugeführte flüssige Medium ein Methanol-Wasser-Gemisch.
Bei einem Verfahren mit zwei Aufnahmeräumen kann vorgesehen sein, daß flüssiges Medium vom ersten Aufnahmeraum dem zweiten Aufnahmeraum zugeführt wird. Dadurch kann der anodenseitige Verbrauch von Wasser durch kathodenseitig gebildetes Wasser ausgeglichen werden.
Bevorzugt wird flüssiges Medium von dem Aufnahmeraum, dem flüssiges Medium vom Anodenraum zugeführt wird, wieder zum Anodenraum zurückgeführt. Dadurch wird unverbrauchtes Methanol wieder dem Anodenraum zugeführt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Änderungen der Füllstände in dem Aufnahmeraum oder den Aufnahmeräumen gemessen und hieraus die Volumenabnahme des gesamten flüssigen Mediums ermittelt. Da die Aufnahmeräume die einzigen Puffervolumina für das den Fluidkreislauf bildende flüssige Medium sind, führt jede Volumenänderung des flüssigen Mediums zu einer Füllstandsänderung in mindestens einem der Aufnahmeräume.
Bevorzugt wird dem Aufnahmeraum, dem flüssiges Medium vom Anodenraum zugeführt wird, oder dem Anodenraum, in Abhängigkeit vom Methanol-Verbrauch eine bestimmte Menge an Methanol zugeführt. Dadurch kann die Methanol-Konzentration des dem Anodenraum zugeführten Methanol-Wasser-Gemischs wieder auf den ursprünglichen Wert eingestellt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, daß dem Aufnahmeraum, dem flüssiges Medium vom Kathodenraum zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Methanol-Verbrauch eine bestimmte Menge an flüssigem Medium entnommen wird. Dadurch kann überschüssiges, als Reaktionsprodukt gebildetes Wasser entfernt werden und das Gesamtvolumen des flüssigen Mediums ausgeglichen werden. Bei der Ausführungsform des Verfahrens mit nur einem Aufnahmeraum wird dabei ein Methanol-Wasser-Gemisch entnommen. Bei Ausführungsformen mit mindestens zwei Aufnahmeräumen ergibt sich der Vorteil, daß im Wesentlichen nur Wasser entnommen wird und ein Verlust an Methanol weitgehend vermieden werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mindestens eine Brennstoffzelle mit einem vorgegebenen Maximalvolumen an flüssigem Medium betrieben, so daß bei Zugabe eines bestimmten Volumens an Methanol eine bestimmtes Volumen an flüssigem Medium verdrängt wird.
Vorzugsweise wird das Volumen des verdrängten flüssigem Medium gemessen und aus der Differenz dieses Volumens und des Volumens des zugegebenen Methanols der Methanol-Verbrauch ermittelt. In Abhängigkeit vom Methanol-Verbrauch können die Zeit bis zur jeweils nächsten Methanolzugabe und/oder die Menge an zuzudosierendem Methanol berechnet werden, die erforderlich sind, um die Methanol-Konzentration wieder auf den ursprünglichen Wert einzustellen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird bei dem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Meßvorrichtung zur Messung einer Volumenabnahme des flüssigen Mediums vorgesehen ist sowie eine Steuer- und/oder Regeleinheit, mittels der der Methanol-Verbrauch aus der gemessenen Volumenabnahme gemäß einem linearen Zusammenhang mit einem temperaturabhängigen Faktor ermittelbar ist.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wurde bereits im Zusamenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit dem genannten Brennstoffzellensystem durchführen.
Meßvorrichtungen für Volumina erfordern nur einen geringen technischen Aufwand und ermöglichen damit eine einfache und gleichzeitig genaue Bestimmung des Methanol-Verbrauchs, der aus der Volumenabnahme des flüssigen Mediums berechnet werden kann. Meßvorrichtungen für Volumina weisen auch eine geringe Störanfälligkeit auf.
Da Meßvorrichtungen für Volumina kostengünstig sind und das Gewicht und die Größe des Brennstoffzellensystems nicht wesentlich erhöhen, sind erfindungsgemäße Brennstoffzellensysteme insbesondere für einen mobilen oder portablen Einsatz geeignet.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß für die Messung der Volumenabnahme kein flüssiges Medium abgetrennt werden muß und daß kein Kalibrieren der Meßvorrichtung mit einer Referenzprobe oder dergleichen erforderlich ist. Die Bestimmung des Methanol-Verbrauchs ist damit ohne zeitliche Verzögerungen möglich. Weiterhin müssen keine Abtrennungseinrichtungen vorgesehen werden, so daß sich das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kompakt ausbilden läßt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sind ein oder mehrere Aufnahmeräume für das flüssige Medium vorgesehen. Diese dienen als Puffervolumen für das flüssige Medium.
Zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und dem oder den Aufnahmeräumen ist vorzugsweise ein Fluidkreislauf für das flüssige Medium vorgesehen. Dadurch kann unverbrauchtes Methanol wieder dem Anodenraum zugeführt werden.
Es kann eine Einkopplungsvorrichtung für Methanol in den Fluidkreislauf vorgesehen sein.
Ferner kann eine Auskopplungsvorrichtung für flüssiges Medium aus dem Fluidkreislauf vorgesehen sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Meßvorrichtung und die Einkopplungsvorrichtung für Methanol über die Steuer- und/oder Regeleinheit miteinander verbunden. Dadurch können Signale von der Meßvorrichtung an die Steuer- und/oder Regeleinheit und von dieser an die Einkopplungsvorrichtung weitergegeben werden, so daß dem Fluidkreislauf eine dem Methanol-Verbrauch entsprechende Menge an Methanol zugeführt werden kann.
Vorzugsweise sind die Meßvorrichtung, die Einkopplungsvorrichtung für Methanol und eine Auskopplungsvorrichtung für flüssiges Medium über die Steuer- und/oder Regeleinheit miteinander verbunden. Dadurch können Signale von der Steuer- und/oder Regeleinheit auch an die Auskopplungsvorrichtung weitergegeben werden, so daß dem Fluidkreislauf überschüssiges, durch Reaktion gebildetes Wasser entnommen werden kann.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die Meßvorrichtung einen oder mehrere Schwimmerschalter an dem oder den Aufnahmeräumen. Mit dem oder den Schwimmerschaltern können Füllstandänderungen des flüssigen Mediums in dem oder den Aufnahmeräumen gemessen werden. Da die Aufnahmeräume Puffervolumen darstellen, entsprechen die Füllstandänderungen den Volumenänderungen des flüssigen Mediums.
Die Meßvorrichtung kann einen Durchflußmesser umfassen. Dadurch können beispielsweise Volumina gemessen werden, die bei einem Brennstoffzellensystem mit einem vorgegebenen Gesamtvolumen für das flüssige Medium aus dem Fluidkreislauf verdrängt werden.
Die Einkopplungsvorrichtung für Methanol umfaßt vorzugsweise eine Pumpe. Mit einer Pumpe, insbesondere einer Dosierpumpe, kann eine bestimmte Menge an Methanol aus einem Vorrat in den Fluidkreislauf eingespeist werden.
Die Auskopplungsvorrichtung für flüssiges Medium kann beispielsweise ein Ventil umfassen. Durch ein Ventil kann eine bestimmte Menge an flüssigem Medium aus dem Fluidkreislauf entnommen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Auskopplungsvorrichtung für flüssiges Medium einen Überlauf umfassen. Über einen Überlauf kann beispielsweise bei einem Brennstoffzellensystem mit einem vorgegebenen Gesamtvolumen flüssiges Medium aus dem Fluidkreislauf verdrängt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Blockbild-Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
2 eine schematische Darstellung von Stoffströmen in dem Brennstoffzellensystem gemäß 1;
3 eine schematische Blockbild-Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
4 eine schematische Blockbild-Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in der 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet.
Es handelt es sich hierbei um ein Direktmethanolbrennstoffzellensystem (DMFC), bei dem anodenseitig Methanol als Brennstoff und kathodenseitig Sauerstoff als Oxidator eingesetzt werden. Durch die elektrochemischen Reaktionen entstehen an einer Kathode Wasser und an einer Anode Kohlendioxid.
Der Anode wird Methanol als Bestandteil eines Methanol-Wasser-Gemischs zugeführt. Ein gesamtes Flüssiges Medium in dem Brennstoffzellensystem 10 umfaßt das Methanol-Wasser-Gemisch und das an der Kathode gebildete Wasser.
Es gelten für die elektrochemische Umsetzung von Methanol mit Sauerstoff folgende Reaktionsgleichungen: Anodenreaktion: CH₃OH + H₂O → 6H⁺ + 6e^– + CO₂ (1) Kathodenreaktion: 6H⁺ + 3/2O₂ + 6e^– → 3H₂O (2) Bruttoreaktion: CH₃OH + 3/2O₂ → 2H₂O + CO₂ (3)
Die Bruttoreaktion (3) gilt auch für die nicht elektrochemisch nutzbare Umsetzung von Methanol an der Kathode (Methanol Drag). Da im Bezug auf die verbrauchte Stoffmenge an Methanol jeweils die doppelte Stoffmenge an Wasser gebildet wird, ergibt sich eine reaktionsbedingte Volumenabnahme (V'_gesamt) des gesamten flüssigen Mediums gemäß folgender Gleichung: V'_gesamt = V'_MeOH + V'H₂O (4) V'_gesamt = n'_MeOH·M_MeOH/d_MeOH – n'H₂O·M_H2O/d_H2O (5) V'_gesamt = n'_MeOH·(M_MeOH/d_MeOH – 2·M_H2O/d_H2O) (6)
Dabei sind

V'_MeOH:: die Volumenänderung des Methanols pro Zeiteinheit;
V'_H2O:: die Volumenänderung des Wassers pro Zeiteinheit;
n'_MeOH:: die Stoffmengenänderung des Methanols pro Zeiteinheit;
n'_H2O:: die Stoffmengenänderung des Wassers pro Zeiteinheit;
M_MeOH:: die Molmasse von Methanol;
M_H2O:: die Molmasse von Wasser;
d_MeOH:: die Dichte von Methanol; und
d_H2O:: die Dichte von Wasser.

Nach Einsetzen der Stoffkonstanten (Molmassen und Dichten) für Wasser und Methanol erhält man damit einen einfachen linearen Zusammenhang zwischen der Gesamtvolumenabnahme und dem Methanol-Verbrauch. Mit den bei 20°C geltenden Dichte-Werten ergibt sich: n'_MeOH = V'_gesamt/4,33204 ml/mol. (7)
Bei dem Brennstoffzellensystem 10 sind ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel 1 mit jeweils einer Mehrzahl von Brennstoffzellen vorgesehen. Anoden und Kathoden der Brennstoffzellen sind jeweils elektrisch miteinander verbunden, wobei den Kathoden ein gemeinsamer Kathodenraum K und den Anoden ein gemeinsamer Anodenraum A zugeordnet ist.
Ein Kondensator 13 ist eingangsseitig mit einem Gebläse 9 und ausgangsseitig mit einem Eingang des Kathodenraums K verbunden. Durch das Gebläse 9 kann Umgebungsluft als Oxidatorträger durch den Kondensator 13 geleitet und dem Kathodenraum K zugeführt werden.
Ein Ausgang des Kathodenraums K ist mit einem weiteren Eingang des Kondensators 13 verbunden. Ein weiterer Ausgang des Kondensators 13 ist mit einem Eingang eines Wasserabscheiders 15 verbunden. Durch den Kondensator 13 läßt sich vom Kathodenraum K abgeführtes Medium durchführen. Der Kondensator 13 ist dabei so aufgebaut, daß zwischen der dem Kathodenraum K zugeführten Luft und dem vom Kathodenraum K zum Wasserabscheider 15 geführten Medium ein Wärmeübergang möglich ist.
Der Wasserabscheider 15 weist einen ersten Ausgang für Kathodenabluft (angedeutet durch das Bezugszeichen 17) und einen zweiten Ausgang für flüssiges Medium auf. Der zweite Ausgang ist über eine Fluidleitung mit einem Eingang eines Rücklaufbehälters 21 verbunden, der einen Aufnahmeraum 22 umfaßt.
Von einem Ausgang des Rücklaufbehälters 21 führt eine Fluidleitung, an welcher eine Umwälzpumpe 35 angeordnet ist, zu einem Eingang eines Wärmetauschers 29, welcher ausgangsseitig mit einem Eingang des Anodenraums A verbunden ist.
Ein Ausgang des Anodenraums A ist mit einem weiteren Eingang des Wärmetauschers 29 verbunden. Ein weiterer Ausgang des Wärmetauschers 29 ist mit einem Eingang eines CO₂-Abscheiders 25 verbunden. Von dem Anodenraum A abgeführtes Medium läßt sich durch den Wärmetauscher 29 transportieren. Der Wärmetauscher 29 ist dabei so aufgebaut, daß zwischen einem dem Anodenraum A zugeführten Medium und einem vom Anodenraum A abgeführten Medium ein Wärmeübergang möglich ist.
Der CO₂-Abscheider 25 hat einen ersten Ausgang für Anodenabluft (angedeutet durch das Bezugszeichen 31) und einen zweiten Ausgang für flüssiges Medium, der über eine Fluidleitung mit einem weiteren Eingang des Rücklaufbehälters 21 verbunden ist.
Eine Auskopplungsvorrichtung 60 umfaßt eine Fluidleitung, über die ein Ausgang des Rücklaufbehälters 21 mit einem Abwasser-Aufnahmeraum 39 verbunden ist, sowie ein an dieser Fluidleitung angeordnetes Auslaßventil 37.
Eine Meßvorrichtung 40 umfaßt einen Schwimmerschalter 41, der dem Rücklaufbehälter 21 zugeordnet ist. Mit dem Schwimmerschalter 41 kann ein Füllstand des flüssigen Mediums im Aufnahmeraum 22 gemessen werden.
Ein Methanol-Aufnahmeraum 43 ist über eine Dosierpumpe 45 mit der von der Umwälzpumpe 35 zum Wärmetauscher 29 führenden Fluidleitung verbunden. Die Dosierpumpe 45 ist Teil einer Einkopplungsvorrichtung 50, mittels der Methanol in die von der Umwälzpumpe 35 zum Wärmetauscher 29 führenden Fluideitung einspeisbar ist.
Der Methanol-Aufnahmeraum 43 und der Abwasser-Aufnahmeraum 39 sind in einem Behälter so angeordnet, daß die beiden Aufnahmeräume durch eine verschiebbare Wand 47 voneinander getrennt sind.
Der Schwimmerschalter 41, das Auslaßventil 37 und die Dosierpumpe 45 sind über eine Steuer- und/oder Regeleinheit 49 derart miteinander verbunden, daß Signale von dem Schwimmerschalter 41 an die Regeleinheit 49 und von dieser an die Dosierpumpe 45 weitergegeben werden können.
Zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 wird dem Kathodenraum K über das Gebläse 9 (mit zwischengeschaltetem Kondensator 13) Luft als Oxidatorträger zugeführt. Das den Kathodenraum verlassende Medium, welches Luft und durch Kathodenreaktion entstandenen und vom Anodenraum A zum Kathodenraum K übergetretenen Wasserdampf enthält, wird über den Kondensator 13 zum Wasserabscheider 15 geleitet. Durch thermischen Ausgleich der wärmeren abgeführten Luft mit der kälteren zugeführten Luft im Kondensator 13 wird eine Kondensation des Dampfes bewirkt. Das kondensierte Wasser wird durch den Wasserabscheider 15 von der Kathodenabluft 17 getrennt und dem Rücklaufbehälter 21 zugeführt.
Der Rücklaufbehälter 21 nimmt ein Methanol-Wasser-Gemisch auf, das mittels der Umwälzpumpe 35 in einem Fluidkreislauf 36 zwischen dem Rücklaufbehälter 21 und dem Anodenraum A geführt wird. Der Aufnahmeraum 22 stellt dabei ein Puffervolumen für Volumenänderungen des flüssigen Mediums bereit.
Das dem Anodenraum A zugeführte Medium und das aus dem Anodenraum A austretende Medium durchläuft jeweils den Wärmetauscher 29, so daß ein thermischer Ausgleich zwischen dem kälteren zugeführten Gemisch und dem wärmeren abgeführten Gemisch stattfinden kann. Das abgeführte Gemisch wird nach Durchlaufen des Wärmetauschers 29 zum CO₂-Abscheider 25 geleitet, wo das durch Anodenreaktion gebildete Kohlendioxid abgetrennt wird und als Anodenabluft 31 entweicht. Das entgaste Methanol-Wasser-Gemisch wird nach Durchlaufen des CO₂-Abscheiders 25 dem Rücklaufbehälter 21 zugeführt.
Eine während des Betriebs auftretende Änderung des Füllstandes im Rücklaufbehälter 21 wird von dem Schwimmerschalter 41 gemessen. Durch die mit den Schwimmerschaltern 41 verbundene Steuer- und/oder Regeleinheit 49 kann aus der Füllstandsänderung, die der Volumenänderung des gesamten flüssigen Mediums entspricht, der Methanol-Verbrauch gemäß Gleichung (6) berechnet werden. Die Temperatur des Methanol-Wasser-Gemischs kann durch einen mit der Regeleinheit 49 verbundenen Temperatursensor gemessen und bei der Berechnung berücksichtigt werden.
Durch die durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 49 gesteuerte Dosierpumpe 45 kann eine dem Methanol-Verbrauch entsprechende Menge an Methanol aus dem Methanol-Aufnahmeraum 43 in die Fluidleitung zwischen dem Rücklaufbehälter 21 und dem Anodeneingang 27 eingespeist werden. Dadurch kann die Methanol-Konzentration wieder auf den ursprünglichen Wert eingestellt werden und insbesondere eingeregelt werden.
Um das Gesamtvolumen des in dem Fluidkreislauf befindlichen flüssigen Mediums wieder anzugleichen, kann durch das durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 49 gesteuerte Auslaßventil 37 eine entsprechende Menge an Methanol-Wasser-Gemisch aus dem Rücklaufbehälter 21 in den Abwasser-Aufnahmeraum 39 geleitet werden.
Aufgrund des Verbrauchs von Methanol und der Bildung von Wasser erfolgt im Verlauf des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 eine Verschiebung der verschiebbaren Wand 47 zwischen dem Abwasser-Aufnahmeraum 39 und dem Methanol-Aufnahmeraum 43, so daß das Volumen des Abwasser-Aufnahmeraums 39 zunimmt und das Volumen des Methanol-Aufnahmeraums 43 abnimmt.
Im folgenden ist für das Brennstoffzellensystem 10 anhand von beispielhaften Zahlenwerten illustriert, wie sich die reaktionsbedingte Volumenabnahme aus der Stoffbilanz der Brennstoffzellenstapel 1 ergibt.
Dabei müssen verschiedenen Stoffströme berücksichtigt werden, die in der 2 schematisch dargestellt sind. Dies sind zum einen die ein- und ausgehenden Stoffströme in Bezug auf den Anodenraum A und den Kathodenraum K, sowie die reaktionsbedingten Stoffmengenänderungen und die durch Diffusion und Elektroosmose (Drag) bedingten Stoffströme vom Anodenraum A zum Kathodenraum K.
Dabei tragen die einzelnen Stoffströme die nachfolgend aufgelisteten Bezugszeichen. Die in Klammern angegebenen Kurzbezeichnungen werden als Indizes für die in den nachfolgenden Gleichungen aufgeführten Stoffmengenänderungen pro Zeiteinheit (n') und Volumenänderungen pro Zeiteinheit (V') verwendet.
Bezugszeichenliste

101: Wasser, Anodeneingang (H2O, Aein)
102: Methanol, Anodeneingang (MeOH, Aein)
103: Wasser, Anodenausgang (H2O, Aaus)
104: Kohlendioxid, Anodenausgang (CO2, Aaus)
105: Methanol, Anodenausgang (MeOH, Aaus)
106: Wasser, Anodenreaktion (H2O, AReaktion)
107: Methanol, Anodenreaktion (MeOH, AReaktion)
108: Wasserübertritt durch Diffusion (H2O, Diff)
109: Wasserübertritt durch Elektroosmose (H2O, Drag)
110: Methanolübertritt durch Elektroosmose (MeOH, Drag)
111: Sauerstoff, Kathodeneingang (O2, Kein)
112: Wasser, Kathodeneingang (H2O, Kein)
113: Sauerstoff, Kathodenreaktion (O2, KReaktion, Strom)
114: Wasser, Kathodenreaktion (H2O, KReaktion Strom)
115: Kathodenreaktion des übergetretenen Methanols (MeOH, KReaktion)
116: Sauerstoff, Kathodenreaktion mit dem übergetretenen Methanol (O2, KReaktion MeOH)
117: Wasser, Kathodenreaktion mit dem übergetretenen Methanol (H2O, KReaktion MeOH)
118: Methanol, Kathodenausgang (MeOH, Kaus)
119: Sauerstoff, Kathodenausgang (O2, Kaus)
120: Wasser, Kathodenausgang (H2O, Kaus)
121: Kohlendioxid, Kathodenausgang (CO2, Kaus)

Zwischen den einzelnen Stoffströmen gelten die folgenden Zusammenhänge:
1. Zugeführte Ströme:
a) Anode:

n'_H2O,Aein = n'_MeOH,Aein·(1/c_MeOH – M_MeOH/d_MeOH)·d_H2O/M_H2O n'_MeOH,Aein = λ_A·n'_{MeOH,AReaktion} n'_{MeOH,AReaktion}: = n·I·3600 / 6·96485 [mol/h]

Dabei sind c_MeOH die Methanol-Konzentration in dem Methanol-Wasser-Gemisch, λ_A der Methanol-Überschuß-Faktor, n die Anzahl der miteinander verschalteten Brennstoffzellen und I die Stromstärke in Ampère.
b) Kathode

n'_H2O,Kein = 0

Es wird hier davon ausgegangen, daß der Wasser-Eintrag durch Luft vernachlässigbar gering ist bzw. dem Wasser-Austrag durch Luft entspricht. n'_O2,Kein = 3/2·n'_{MeOH,AReaktion}·λ_K (vgl. Bruttoreaktion Gleichung (3))
Dabei ist λ_K der Sauerstoff-Überschuß-Faktor.
2. Abgeführte Ströme:
a) Anode

n'_H2O,Aaus = n'_H2O,Aein – n'_{H2O,AReaktion} – n'_H2O,Drag – n'_H2O,Diff n'_{H2O,AReaktion} = n'_{MeOH,AReaktion} (vgl. Anodenreaktion Gleichung (1)) n'_MeOH,Aaus = n'_MeOH,Aein – n'_MeOH,Drag – n'_{MeOH,AReaktion} n'_CO2,Aaus = n'_{H2O,AReaktion} (vgl. Anodenreaktion Gleichung (1))

b) Kathode

n'_H2O,Kaus = n'_{H2O,KReaktion,MeOH} + n'_H2O,Kein + n'_H2O,Drag + n'_H2O,Diff + n'_{H2O,KReaktion,Strom} n'_{H2O,KReaktion,MeOH} = 2·n'_MeOH,Drag (vgl. Bruttoreaktion Gleichung (3)) n'_{H2O,KReaktion,Strom} = 3·_{n'MeOH,AReaktion} (vgl. Kathodenreaktion Gleichung (2)) n'_MeOH,Kaus = 0 (Durch Elektroosmose übergetretenes Methanol wird kathodenseitig vollständig umgesetzt) n'_O2,Kaus = n'_O2,Kein – n'_{O2,KReaktion,Strom} – n'_{O2,KReaktion,MeOH} n'_{O2,KReaktion,Strom} = 3/2·n'_{MeOH,AReaktion} (vgl. Bruttoreaktion Gleichung (3)) n'_{O2,KReaktion,MeOH} = 3/2·n'_MeOH,Drag (vgl. Bruttoreaktion Gleichung (3)) n'_CO2,Kaus = n'_MeOH,Drag (vgl. Bruttoreaktion Gleichung (3)).

Für den Methanol-Verbrauch gilt: n'_{MeOH,Verbrauch} = n'_{MeOH,AReaktion} + n'_{MeOH,KReaktion} = n'_{MeOH,AReaktion} + n'_MeOH,Drag
Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 wird als Beispiel von folgenden Werten ausgegangen:
c = 1,5 mol/l; λ_A = 6; λ_K = 6; I = 62,4 A; n = 42; n'_MeOH,Drag = 10 mol/h; n'_H2O,Diff = 4 mol/h; n'_H2O,Drag = 3 mol/h; Temperatur = 20°C.
Damit ergeben sich gemäß den vorstehenden Gleichungen folgende Stoffströme:
n'_H2O,Aein = 3395,4 mol/h
n'_MeOH,Aein = 97,786 mol/h
n'_{MeOH,AReaktion} = 16,298 mol/h
n'_H2O,Kein = 0
n'_O2,Kein = 146,68 mol/h
n'_H2O,Aaus = 3372,1 mol/h
n'_{H2O,AReaktion} = 16,298 mol/h
n'_MeOH,Aaus = 71,488 mol/h
n'_CO2,Aaus = 16,298 mol/h
n'_H2O,Kaus = 75,894 mol/h
n'_MeOH,Kaus = 0
n'_O2,Kaus = 107,23 mol/h
n'_CO2,Kaus = 10 mol/h
n'_{MeOH,Verbrauch} = 26,298 mol/h
Die theoretisch aufgrund des Methanol-Verbrauchs zu erwartende Volumenabnahme pro Zeiteinheit läßt sich gemäß Gleichung (7) aus dem Methanol-Verbrauch berechnen: V'_gesamt = 26,298 mol/h·4,33204 ml/mol = 113,92 ml/h
Die durch Messung erfaßbare Volumenabnahme ergibt sich aus den ein- und ausgehenden Stoffströmen von Methanol und Wasser und den entsprechenden Molmassen und Dichten bei 20°C: V'_gesamt = (V'_H2O,Aein + V'_MeOH,Aein) – (V'_MeOH,Aaus + V'_H2O,Aaus + V'_MeOH,Kaus + V'_H2O,Kaus) V'_gesamt = 113,95 ml/h
Die gemessene Volumenabnahme entspricht damit derjenigen Volumenabnahme, die aufgrund der Stoffumsätze zu erwarten ist. Die geringe Abweichung der Zahlenwerte ist hier auf Rundungsfehler zurückzuführen.
Der dargestellte Zusammenhang zwischen Volumenabnahme und Methanol-Verbrauch gilt unter der Voraussetzung, daß der Ein- und Austrag von Wasser über die zugeführte Luft bzw. die Kathodenabluft 17 und die Anodenabluft 31 vernachlässigbar gering ist. Ferner wird davon ausgegangen, daß kein Methanol über die Anodenabluft 31 ausgetragen wird.
Wie gut diese Voraussetzungen unter gegebenen Bedingungen erfüllt sind, kann gegebenenfalls durch eine Überprüfung der Abluftströme bezüglich ihres Wassergehalts mit entsprechenden Sensoren festgestellt werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in der 3 gezeigt und dort mit 20 bezeichnet.
Das Brennstoffzellensystem 20 umfaßt ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel 1 mit jeweils einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, wobei Anoden und Kathoden der Brennstoffzellen jeweils elektrisch miteinander verbunden sind. Gleiche Elemente in den 1 und 3 haben die gleichen Bezugszeichen.
Anordnung und Funktion des Kathodenraums K, des Anodenraums A, des Gebläses 9, des Kondensators 13, des Wasserabscheiders 15, des CO₂-Abscheiders 25 und des Wärmetauschers 29 sind wie bei dem Brennstoffzellensystem 10. Dies gilt auch für den Abwasser-Aufnahmeraum 39 und den Methanol-Aufnahmeraum 43, die durch die verschiebbare Wand 47 getrennt sind.
Vom Wasserabscheider 15 führt eine Fluidleitung für das vom Kathodenraum K austretende Wasser zu einem Eingang eines Kathodenrücklaufbehälter 51. Der Kathodenrücklaufbehälter 51 umfaßt einen ersten Aufnahmeraum 52. Eine Auskopplungsvorrichtung 60 umfaßt eine Fluidleitung, über die ein Ausgang des Kathodenrücklaufbehälters 51 mit dem Abwasser-Aufnahmeraum 39 verbunden ist, sowie ein der Fluidleitung zugeordnetes Auslaßventil 61.
Ein weiterer Ausgang des Kathodenrücklaufbehälters 51 ist über eine Dosierpumpe 57 mit einem Eingang eines Anodenrücklaufbehälters 53 verbunden. Der Anodenrücklaufbehälter 53 umfaßt einen zweiten Aufnahmeraum 54.
Vom CO₂-Abscheider 25 führt eine Fluidleitung für das vom Anodenraum A austretende Methanol-Wasser-Gemisch zu einem weiteren Eingang des Anodenrücklaufbehälters 53. Ein Ausgang des Anodenrücklaufbehälter 53 ist über eine Fluidleitung, der eine Umwälzpumpe 55 zugeordnet ist, mit einem Eingang des Wärmetauschers 29 verbunden.
Einer Fluidleitung vom Methanol-Aufnahmeraum 43 zu einem weiteren Eingang des Anodenrücklaufbehälter 53 ist eine Dosierpumpe 59 zugeordnet. Die Dosierpumpe 59 ist Teil einer Einkopplungsvorrichtung 50, mit der dem Anodenrücklaufbehälter 53 Methanol zugeführt werden kann.
Eine Meßvorrichtung 40 umfaßt zwei Schwimmerschalter 63 und 65, die dem Kathodenrücklaufbehälter 51 bzw. dem Anodenrücklaufbehälter 53 zugeordnet sind. Mit den Schwimmerschaltern 63 und 65 können Füllstände von flüssigem Medium in dem ersten Aufnahmeraum 52 bzw. in dem zweiten Aufnahmeraum 54 gemessen werden.
Die Schwimmerschalter 63 und 65, die Dosierpumpen 57 und 59 und das Auslaßventil 61 sind über eine Steuer- und/oder Regeleinheit 49 derart miteinander verbunden, daß Signale von den Schwimmerschaltern 63 und 65 an die Regeleinheit 49 und von dieser Signale an die Dosierpumpen 57 und 59 und an das Auslaßventil 61 weitergegeben werden können.
Beim Betrieb des Brennstoffzellensystem 20 erfolgt die Zuführung von Luft zum Kathodenraum K und die Kondensation und Abscheidung des gebildeten Wassers wie beim Betrieb des Brennstoffzellensystem 10. Vom Wasserabscheider 15 wird das Wasser in den Kathodenrücklaufbehälter 51 geleitet.
Der Anodenrücklaufbehälter 53 nimmt ein Methanol-Wasser-Gemisch auf, daß mittels der Umwälzpumpe 55 in einem Fluidkreislauf 36 zwischen dem Anodenrücklaufbehälter 53 und dem Anodenraum A geführt wird. Ein thermischer Ausgleich zwischen den Medien, die dem Anodenraum A zugeführten bzw. abgeführten werden, und die Abscheidung von gebildetem Kohlendioxid erfolgen wie beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 10.
Die Aufnahmeräume 52 und 54 stellen Puffervolumina für Volumenänderungen des flüssigen Mediums bereit. Während des Betriebs auftretende Änderungen der Füllstände im Kathodenrücklaufbehälter 51 und im Anodenrücklaufbehälter 53 werden von den Schwimmerschaltern 63 und 65 gemessen. Durch die mit den Schwimmerschaltern 63 und 65 verbundene Steuer- und/oder Regeleinheit 49 kann aus der Summe der Füllstandsänderungen, die der Volumenänderung des gesamten Flüssigen Mediums entspricht, gemäß Gleichung (6) der Methanol-Verbrauch berechnet werden. Die Temperatur des Methanol-Wasser-Gemischs kann durch einen mit der Regeleinheit 49 verbundenen Temperatursensor gemessen und bei der Berechnung berücksichtigt werden.
Um die Methanol-Konzentration wieder auf den ursprünglichen Wert einzustellen, insbesondere einzuregeln, wird durch die durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 49 gesteuerte Dosierpumpe 59 eine dem Methanol-Verbrauch entsprechende Menge an Methanol vom Methanol-Aufnahmeraum 43 dem Anodenrücklaufbehälter 53 zugeführt. Da diese Menge jedoch nicht ausreicht, um die Volumenabnahme im Anodenrücklaufbehälter 53 auszugleichen (aufgrund des anodenseitigen Wasserverlustes), wird durch die ebenfalls durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 49 gesteuerte Dosierpumpe 57 eine entsprechende Menge an Wasser aus dem Kathodenrücklaufbehälter 51 in den Anodenrücklaufbehälter 53 überführt.
Um auch den Füllstand im Kathodenrücklaufbehälter 51 wieder auf den ursprünglichen Wert einzustellen, wird eine entsprechende Menge an Wasser über das duch die Steuer- und/oder Regeleinheit 49 gesteuerte Auslaßventil 61 in den Abwasser-Aufnahmeraum 39 geleitet.
Durch die Verwendung von zwei Rücklaufbehältern 51 und 53 ergibt sich hier gegenüber dem Brennstoffzellensystem 10 der Vorteil, daß ein Austrag von Methanol in den Abwasser-Aufnahmeraum 39 vermieden wird und das im Metahnol-Aufnahmeraum 43 zur Verfügung stehende Methanol dadurch vollständig umgesetzt werden kann. Zudem ergibt sich der Vorteil, daß sich im Abwasser-Aufnahmeraum 39 nahezu reines Wasser sammelt, welches einfach entsorgt werden kann.
Die für das Brennstoffzellensystem 10 angegebenen Zusammenhänge zwischen dem Methanol-Verbrauch und der Volumenabnahme sowie die Darstellung der Stoffströme in der 2 gelten für das Brennstoffzellensystem 20 gleichermaßen.
Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in der 4 gezeigt und dort mit 30 bezeichnet.
Das Brennstoffzellensystem 30 umfaßt ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel 1 mit jeweils einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, wobei Anoden und Kathoden der Brennstoffzellen jeweils elektrisch miteinander verbunden sind. Gleiche Elemente in den 1 und 4 haben die gleichen Bezugszeichen.
Anordnung und Funktion des Kathodenraums K, des Anodenraums A, des Gebläses 9, des Kondensators 13, des Wasserabscheiders 15, des CO₂-Abscheiders 25 und des Wärmetauschers 29 sind wie bei dem Brennstoffzellensystem 10. Dies gilt auch für den Abwasser-Aufnahmeraum 39 und den Methanol-Aufnahmeraum 43, die durch die verschiebbare Wand 47 getrennt sind.
Bei dem Brennstoffzellensystem 30 führt eine Fluidleitung für das vom Kathodenraum K austretende Wasser vom Wasserabscheider 15 zu einem Eingang eines Rücklaufbehälters 69. Der Rücklaufbehälter 69 umfaßt einen Aufnahmeraum 70.
Der Rücklaufbehälter 69 weist einen Überlauf 73 auf, der über eine Fluidleitung mit dem Abwasser-Aufnahmeraum 39 verbunden ist. Der Überlauf 73 und die Fluidleitung dienen als Auskopplungsvorrichtung 60. Eine Meßvorrichtung 40 umfaßt einen Durchflussmesser 75, der der Fluidleitung zugeordnet ist und mit dem das Volumen eines vom Rücklaufbehälter 69 zum Abwasser-Aufnahmeraum 39 übertretenden Mediums gemessen werden kann.
Vom CO₂-Abscheider 25 führt eine Fluidleitung zu einem weiteren Eingang des Rücklaufbehälters 69. Ein Ausgang des Rücklaufbehälter 69 ist über eine Fluidleitung, der eine Umwälzpumpe 71 zugeordnet ist, mit einem Eingang des Wärmetauschers 29 verbunden.
Eine Fluidleitung vom Methanol-Aufnahmeraum 43 zum Rücklaufbehälter 69 verläuft über eine Dosierpumpe 77. Die Dosierpumpe 77 ist Teil einer Einkopplungsvorrichtung 50, mit der Methanol in den Rücklaufbehälter 69 einspeisbar ist.
Der Durchflußmesser 75 und die Dosierpumpe 77 sind über eine Steuer- und/oder Regeleinheit 49 derart miteinander verbunden, daß Signale vom Durchflussmesser 75 an die Regeleinheit 49 und von dieser Signale an die Dosierpumpe 77 weitergegeben werden können.
Beim Betrieb des Brennstoffzellensystem 30 erfolgt die Zuführung von Luft zum Kathodenraum K und die Kondensation und Abscheidung des gebildeten Wassers wie bei dem Brennstoffzellensystemen 10. Vom Wasserabscheider 15 wird das Wasser in den Rücklaufbehälter 69 geleitet.
Der Rücklaufbehälter 69 nimmt ein Methanol-Wasser-Gemisch auf, das mittels der Umwälzpumpe 71 in einem Fluidkreislauf 36 zwischen dem Rücklaufbehälter 69 und dem Anodenraum A geführt wird. Der Aufnahmeraum 70 dient dabei als Puffervolumen für Volumenänderungen des flüssigen Mediums. Ein thermischer Ausgleich zwischen den Medien, die dem Anodenraum A zugeführt bzw. abgeführt werden, und die Abscheidung von Kohlendioxid erfolgen wie bei dem Brennstoffzellensystem 10.
Der Rücklaufbehälter 69 ist bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 30 bis zu dem Überlauf 73 mit einem Methanol-Wasser-Gemisch gefüllt. Im Verlauf des Betriebs sinkt der Füllstand im Rücklaufbehälter 69 infolge der Volumenabnahme des flüssigen Mediums ab.
Wird nach einer bestimmten Zeit dem Rücklaufbehälter 69 über die Dosierpumpe 77 ein bestimmtes Volumen an Methanol aus dem Methanol-Aufnahmeraum 43 zugeführt, so wird durch den Überlauf 73 ein bestimmtes Volumen an Methanol-Wasser-Gemisch verdrängt und in den Abwasser-Aufnahmeraum 39 geleitet. Das verdrängte Volumen wird dabei mit dem Durchflußmesser 75 gemessen.
Durch die mit dem Durchflußmesser verbundene Steuer- und/oder Regeleinheit 49 kann aus der Differenz der Volumina des zugegebenen Methanols und des verdrängten Methanol-Wasser-Gemischs der Methanol-Verbrauch während des Zeitraums bis zur Methanolzugabe berechnet werden. Die Temperatur des Methanol-Wasser-Gemischs kann durch einen mit der Regeleinheit 49 verbundenen Temperatursensor gemessen und bei der Berechnung berücksichtigt werden.
In Abhängigkeit vom ermittelten Methanol-Verbrauch können die Zeit bis zur nächsten Methanolzugabe und/oder die Menge an zuzudosierendem Methanol berechnet werden, die erforderlich sind, um die Methanol-Konzentration wieder auf den ursprünglichen Wert einzustellen. Durch die durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 49 gesteuerte Dosierpumpe 77 kann so die Methanol-Konzentration eingestellt, insbesondere eingeregelt werden.
Die für das Brennstoffzellensystem 10 angegebenen Zusammenhänge zwischen dem Methanol-Verbrauch und der Volumenabnahme sowie die Darstellung der Stoffströme in der 2 gelten für das Brennstoffzellensystem 30 gleichermaßen.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Direktmethanolbrennstoffzellensystems (10; 20; 30), bei dem mindestens einer Brennstoffzelle (1) anodenseitig ein Methanol enthaltendes flüssiges Medium und kathodenseitig ein Oxidator zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenabnahme des gesamten flüssigen Mediums gemessen wird und daß der Methanol-Verbrauch aus der gemessenen Volumenabnahme gemäß einem linearen Zusammenhang mit einem temperaturabhängigen Faktor ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium ein Methanol-Wasser-Gemisch umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Methanol-Konzentration in dem flüssigen Medium durch Zugabe einer dem Methanol-Verbrauch entsprechenden Menge an Methanol eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Methanol-Konzentration in dem flüssigen Medium in Abhängigkeit vom Methanol-Verbrauch gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des flüssigen Mediums in einem Fluidkreislauf (36) zwischen einem Anodenraum (A) und/oder einem Kathodenraum (K) und einem oder mehreren Aufnahmeräumen (22; 52, 54; 70) für flüssiges Medium geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Medium vom Kathodenraum (K) und vom Anodenraum (A) einem gemeinsamen Aufnahmeraum (22; 70) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Medium vom Kathodenraum (K) einem ersten Aufnahmeraum (52) zugeführt wird und flüssiges Medium vom Anodenraum (A) einem zweiten Aufnahmeraum (54) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Medium vom ersten Aufnahmeraum (52) dem zweiten Aufnahmeraum (54) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Medium von dem Aufnahmeraum (22; 54; 70), dem flüssiges Medium vom Anodenraum (A) zugeführt wird, wieder zum Anodenraum (A) zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Änderungen von Füllständen in dem Aufnahmeraum oder den Aufnahmeräumen (12; 52, 54; 70) gemessen werden und hieraus die Volumenabnahme des gesamten flüssigen Mediums ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufnahmeraum (22; 54; 70), dem flüssiges Medium vom Anodenraum (A) zugeführt wird, oder dem Anodenraum (A), in Abhängigkeit vom Methanol-Verbrauch eine bestimmte Menge an Methanol zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufnahmeraum (22; 52; 70), dem flüssiges Medium vom Kathodenraum (K) zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Methanol-Verbrauch eine bestimmte Menge an flüssigem Medium entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Brennstoffzelle (1) mit einem vorgegebenen Maximalvolumen an flüssigem Medium betrieben wird, so daß bei Zugabe eines bestimmten Volumens an Methanol ein bestimmtes Volumen an flüssigem Medium verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des verdrängten flüssigen Mediums gemessen wird und daß aus der Differenz dieses Volumens und des Volumens des zugegebenen Methanols der Methanol-Verbrauch ermittelt wird.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) für die Umsetzung von Methanol mit einem Oxidator, umfassend mindestens eine mit einem Methanol enthaltenden flüssigen Medium betriebene Brennstoffzelle (1), eine Meßvorrichtung (40) zur Messung einer Volumenabnahme des gesamten flüssigen Mediums und eine Steuer- und/oder Regeleinheit (49), dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit (49) der Methanol-Verbrauch aus der gemessenen Volumenabnahme gemäß einem linearen Zusammenhang mit einem temperaturabhängigen Faktor ermittelbar ist.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium ein Methanol-Wasser-Gemisch umfaßt.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Aufnahmeräume (22; 52, 54; 70) für das flüssige Medium vorgesehen sind.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (1) und dem oder den Aufnahmeräumen (22; 52, 54; 70) ein Fluidkreislauf (36) für das flüssige Medium vorgesehen ist.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einkopplungsvorrichtung (50) für Methanol in den Fluidkreislauf (36) vorgesehen ist.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auskopplungsvorrichtung (60) für flüssiges Medium aus dem Fluidkreislauf (36) vorgesehen ist.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (40) und die Einkopplungsvorrichtung (50) für Methanol über die Steuer- und/oder Regeleinheit (49) miteinander verbunden sind.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (40), die Einkopplungsvorrichtung (50) für Methanol und eine Auskopplungsvorrichtung (60) für flüssiges Medium über die Steuer- und/oder Regeleinheit (49) miteinander verbunden sind.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (40) einen oder mehrere Schwimmerschalter (41; 63, 65) an dem oder den Aufnahmeräumen (22; 52, 54) umfaßt.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (40) einen Durchflußmesser (75) umfaßt.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplungsvorrichtung (50) für Methanol eine Pumpe (45; 59; 77) umfaßt.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplungsvorrichtung (60) für flüssiges Medium ein Ventil (37; 61) umfaßt.
Direktmethanolbrennstoffzellensystem (10; 20; 30) nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplungsvorrichtung (60) für flüssiges Medium einen Überlauf (73) umfaßt.