DE102006048825A1

DE102006048825A1 - Direktoxidations-Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Direktoxidations-Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102006048825A1
Application number: DE102006048825A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Schirmer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2026-10-10
Also published as: DE102006048825B4

Abstract

Es wird ein Direktoxidations-Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenblock mit mindestens einer Brennstoffzelle und mit einer Anodeneinrichtung und einer Kathodeneinrichtung, eine anodenseitige Wasser-Brennstoff-Zuführeinrichtung, eine kathodenseitige Wasserabführungseinrichtung und eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung für die Brennstoffzuführung, bereitgestellt, wobei die Wasserabführungseinrichtung einen Wasseraufnahmeraum aufweist, die Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung einen Flüssigkeitsaufnahmeraum aufweist, der Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung und der Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführeinrichtung fluidwirksam miteinander verbunden sind, so dass Wasser von dem Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung zu dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung führbar ist, durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung die Menge des dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffs regelbar ist, eine Strom-Messeinrichtung zur Messung des erzeugten Brennstoffzellenstroms vorgesehen ist und eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung oder Erfassung mindestens eines der Parameter Temperatur, stöchiometrischer Faktor und Betriebsdruck vorgesehen ist, wobei die Steuerungs-/Regelungseinrichtung aus dem gems Brennstoffverbrauchs ermittelt und aus den weiteren ermittelten Daten über eine vorher ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Direktoxidations-Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenblock mit mindestens einer Brennstoffzelle und mit einer Anodeneinrichtung und einer Kathodeneinrichtung, eine anodenseitige Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung, eine kathodenseitige Wasserabführungseinrichtung und eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung für die Brennstoffzuführung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Direktoxidations-Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle und mit einer Anodeneinrichtung und einer Kathodeneinrichtung, wobei der Anodeneinrichtung Brennstoff und der Kathodeneinrichtung Oxidator zugeführt wird, und bei welcher ein Brennstoffübertritt von der Anodenseite zur Kathodenseite auftreten kann.
Direktoxidations-Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise mittels Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) oder Direktethanol-Brennstoffzellen (DEFC) gebildet. Sie 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 portablen und/oder mobilen Einsatz, zum Beispiel in Kraftfahrzeugen, sehr attraktiv.
Beim Betrieb wird der Anodeneinrichtung ein Brennstoff-Lösungsmittel-Gemisch zugeführt, wobei das Lösungsmittel üblicherweise Wasser ist. Der Anodeneinrichtung wird Wasser zugeführt und von dieser muss Wasser abgeführt werden. An der Kathodeneinrichtung entsteht Wasser. Es ist vorteilhaft, bei der Reaktion gebildetes Wasser durch Rückführung im System zu halten. Dadurch lässt sich auf einen Wasser-Vorratstank verzichten, wodurch das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem kleiner im Volumen und kleiner im Gewicht ausgebildet werden kann.
In Bezug auf den an der Anode umgesetzten Brennstoff ist meist ein Überschuss an Brennstoff erforderlich. Es tritt dabei grundsätzlich das Problem auf, dass Brennstoff elektroosmotisch von der Anode zur Kathode durch den Elektrolyt zwischen Anode und Kathode übertreten kann. Dies wird auch als Brennstoff-Crossover oder Brennstoff-Drag bezeichnet. Aufgrund dieses Übertritts erfolgt eine für die Stromerzeugung nicht nutzbare direkte Oxidation des Brennstoffs an der Kathodenseite. Um den dadurch bedingten Brennstoffverlust möglichst gering zu halten und einen optimalen Betrieb des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten, sollte die Brennstoffkonzentration nicht zu hoch sein und insbesondere bei einem konstanten Wert gehalten werden.
In der Literatur sind verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration bekannt.
Aus der DE 199 38 790 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration im Elektrolyt von mit flüssigem Brennstoff betriebenen Brennstoffzellen, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von Methanol im Elektrolyt von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen, bekannt, bei dem mit dem Brennstoff/Elektrolyt-Gemisch als Dielektrikum die Kapazität eines Kondensators gemessen wird, daraus die Dielektrizitätskonstante des Gemischs ermittelt und dann die Brennstoffkonzentration bestimmt wird.
Aus der DE 199 45 928 C1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Alkoholkonzentration im Alkohol/Wasser-Gemisch von mit diesem Gemisch betriebenen Brennstoffzellen bekannt, bei dem ein Teil des Alkohol/Wasser-Gemisches abgetrennt und gegen einen vorgegebenen Druck gefördert wird. Der abgetrennte Teil des Gemisches wird zum Sieden erhitzt, die Siedetemperatur gemessen und daraus der Stoffmengenanteil des Alkohols im Gemisch ermittelt.
Aus der DE 199 48 908 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Alkoholkonzentration im Alkohol/Wasser-Gemisch von mit diesem Gemisch betriebenen Brennstoffzellen, insbesondere Direktmethanolbrennstoffzellen, bekannt, bei dem das Alkohol/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 Alkoholkonzentration bestimmt wird.
Aus der WO 03/012904 A2 ist ein Verfahren zur Regelung der Methanolkonzentration eines Direktmethanolbrennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle und einem separaten Methanolreservoir bekannt, wobei die Brennstoffzelle durch Kennlinien einer Spannung in Abhängigkeit der Systemgrößen Stromstärke und Methanolkonzentration sowie weiterer Systemparameter charakterisiert ist, und wobei die Stromstärke variiert wird und in Abhängigkeit der resultierenden Spannung der Brennstofflösung Methanol aus dem Methanolreservoir zugeführt wird.
Aus dem Artikel "Design and Operation of an electrochemical Methanol Concentration Sensor for Direct Methanol Fuel Cell Systems" von S.R. Narayanan et al., Electrochemical and Solid-State Letters 3(3) 117–120 (2000) ist ein Methanolkonzentrationssensor bekannt, welcher sich eignet für den Einsatz in Verbindung mit Direktmethanolbrennstoffzellen.
Weitere Verfahren zur Regelung bzw. Bestimmung der Methanolkonzentration in Direktmethanolbrennstoffzellen sind aus den Druckschriften US 2002/0086193 A1 , US 2003/0157385 A1 , WO 02/15314 A1 , US 6,488,837 B1 , WO 02/46733 A1 oder US 2003/0224231 A1 bekannt.
Aus der DE 102 58 496 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Brennstoffzufuhr zu einem Brennstoffzellensystem, welches zumindest eine Brennstoffzelle umfasst, bekannt. Die Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle erfolgt durch Einschalten und Ausschalten einer elektrischen Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und einem Verbraucher; die Verbindung wird in Abhängigkeit des in der Brennstoffzelle vorhandenen Brennstoffs getaktet. Die Menge an Brennstoff wird in Abhängigkeit eines Pausen- zu Einschaltverhältnis der getakteten Verbindung der Brennstoffzelle mit dem Verbraucher in der Art geregelt, dass sich ausgehend von einem Istwert des Pausen- zu Einschaltverhältnisses ein vorgegebener Sollwert des Pausen- zu Einschaltverhältnisses einstellt.
Aus der DE 100 39 959 ist ein Verfahren zur Regelung der Brennstoffkonzentration in der Anodenflüssigkeit einer Brennstoffzelle mit Anode, Membran und Kathode bekannt, bei der an der Anode einerseits und der Kathode andererseits jeweils ein Abgas abfällt. Die Kohlendioxidkonzentration wird im Kathodenabgas gemessen und der über der Membran anfallende Brennstoffverlust wird erfasst.
Aus der WO 2004/004042 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung des Fluidhaushalts in einem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems bekannt, bei dem die kathodenseitig abgegebenen Gase in einer Kondensationseinrichtung gekühlt werden, um Flüssigkeit auszukondensieren, und die auskondensierte Flüssigkeit dem Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems zugeführt wird.
Aus der WO 2004/004043 A1 ist eine Fluidtrennvorrichtung bekannt, umfassend einen unteren Abschnitt mit einer Fluidzufuhreinrichtung und einer Flüssigkeitsabfuhreinrichtung, einen oberen Abschnitt mit einer Fluidzufuhreinrichtung an einer Gasabfuhreinrichtung, eine Kontaktiereinrichtung, die so vorgesehen ist, dass Gas, das aus dem unteren Abschnitt in den oberen Abschnitt steigt, mit Flüssigkeit kontaktiert wird, die aus dem oberen Abschnitt in den unteren Abschnitt sinkt, und eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Flüssigkeitsmenge im unteren Abschnitt und/oder zur Ermittlung von Änderungen in der Flüssigkeitsmenge.
Aus der DE 199 45 715 A1 ist eine Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage mit zumindest einem Brennstoffzellen-Stack, Prozessmediumsversorgungsleitungen, elektrischen Leitungen und vorgeschaltetem Verdampfer bekannt, bei der zumindest eine Leitung vorgesehen ist, durch die die Wärme von zumindest einem Teil des Stacks in zumindest einem anderen Gerät nutzbar ist.
Aus der DE 100 40 088 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Systems bekannt, bei dem aus einzelnen Brennstoffzelleneinheiten ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel gebildet sind, dem ein Brennstoff zugeführt wird und nach Verbrennung in den Brennstoffeinheiten als Anodenflüssigkeit einschließlich von Abgasen, wie Kohlendioxid oder dergleichen, weggeführt wird, mit den Verfahrensschritten: Abtrennung des Kohlendioxids, das an der Anode entsteht, heiß von der Anodenflüssigkeit direkt nach Austritt aus der Anode des Brennstoffzellenstapels, Abreicherung des mit dem Kohlendioxid zusammen abgetrennten dampfförmigen Brennstoffs im Gegenstrom mit kaltem Wasser, das in einem Kondensator für das Kathodengas gewonnen wird, für einen Brennstoff, und Beimischung des angewärmten Wassers der Anodenflüssigkeit.
Aus der US 2003/0157395 A1 ist ein Direktoxidations-Brennstoffzellensystem bekannt, weiches getrennte Behälter für Methanol und Wasser umfasst.
Weitere Ausführungsbeispiele von Direktmethanol-Brennstoffzellensystemen sind in dem Artikel "Engineering aspects of the direct methanol fuel cell system" von K. Scott et al., Journal of Power Sources 79 (1999), Seiten 43 bis 59 und in dem Artikel "The development of a 1 KW direct methanol fuel cell system" von A. Kindler et al., Electrochemical Society Proceedings Volume 2001-4, Seiten 231 bis 240 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Direktoxidations-Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches mit geringem Gewicht und Volumen realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Direktoxidations-Brennstoffzellensystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wasserabführungseinrichtung einen Wasseraufnahmeraum aufweist, dass die Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung einen Flüssigkeitsaufnahmeraum aufweist, dass der Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung und der Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung fluidwirksam miteinander verbunden sind, so dass Wasser von dem Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung zu dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung führbar ist, dass durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung die Menge des dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffs regelbar ist, dass eine Strom-Messeinrichtung zur Messung des erzeugten Brennstoffzellenstroms vorgesehen ist, und dass eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung oder Erfassung mindestens eines der Parameter Temperatur, stöchiometrischer Faktor und Betriebsdruck vorgesehen ist, wobei die Steuerungs-/Regelungseinrichtung aus dem gemessenen Brennstoffzellenstrom einen Stromanteil des Brennstoffverbrauchs ermittelt und aus den weiteren ermittelten Daten über eine vorher bestimmte Kalibrierungsfunktion ein Übertrittsanteil des Brennstoffverbrauchs bezüglich des Brennstoffübertritts von der Anodenseite zur Kathodenseite ermittelt und die Brennstoffzuführung in den Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung in Abhängigkeit von dem ermittelten Brennstoffverbrauch regelt.
Durch die erfindungsgemäße Lösung mit der Wasserrückführung über den kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum zu dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum muss keine große Menge an Wasser vorgehalten werden, so dass sich das erfindungsgemäße Direktoxidations-Brennstoffzellensystem mit entsprechend geringem Gewicht und Volumen realisieren lässt.
Es ist beispielsweise dadurch möglich, ein 1 kW-System bereitzustellen, welches ein Vorratsvolumen für ein Wasser-Brennstoff-Gemisch unter einem Liter aufweist.
Es lässt sich eine automatische Steuerung/Regelung des Wasserhaushalts erreichen. Dadurch ergeben sich geringe Konzentrationsschwankungen und dadurch lässt sich auch der Brennstoff-Crossover gering halten. Ferner ergibt sich ein stabiler Betrieb. Dies wiederum ermöglicht es, die Brennstoffzuführung auf einfache Weise und insbesondere sensorlos zu regeln.
Der Brennstoffverbrauch wird als Summe des Stromanteils und des Übertrittanteils berechnet. Der Übertrittanteil wird nicht gemessen, sondern mit Hilfe einer vorher bestimmen Kalibrierungsfunktion bestimmt. In die Kalibrierungsfunktion gehen insbesondere leicht messbare Parameter ein, wie beispielsweise die Temperatur T, der Strom I und der stöchiometrische Faktor λ_A beispielsweise für den Brennstoffüberschuss. Dadurch ist kein Sensor mehr für die Bestimmung der Brennstoffkonzentration notwendig. Solche Sensoren sind üblicherweise sehr teuer. Das Brennstoffzellensystem muss also, wenn die Kalibrierungsfunktion bekannt ist, nicht mit einem solchen Sensor versehen werden. Es lässt sich daher kostengünstig herstellen.
Die Kalibrierungsfunktion ist eine Ansammlung von Kalibrierungsdaten. Es muss sich dabei nicht unbedingt um eine analytisch darstellbare Funktion handeln. Es muss sich auch um keine Funktion mit zusammenhängenden Funktionswertebereichen handeln.
Aufgrund des geringen Flüssigkeitsvolumens, welches in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in Vorrat gehalten werden muss, ergeben sich auch verkürzte Aufheizzeiten. Dadurch ist die Inbetriebnahmephase des erfindungsgemäßen Direktoxidations-Brennstoffzellensystems minimierbar. Beispielsweise lässt sich für eine Leistung von einem 1 kW eine Inbetriebnahmezeit von wenigen Minuten (deutlich unter 20 min) erreichen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist vorteilhafte Eigenschaften für den dynamischen Betrieb auf. Die notwendige Brennstoffkonzentration in dem Wasser-Brennstoff-Gemisch, welches der Anodeneinrichtung zugeführt wird, lässt sich mit nur geringer Verzögerung einstellen. Dadurch lassen sich zu hohe Konzentrationen mit entsprechendem höheren Brennstoff-Crossover und zu niedrige Konzentrationen, welche zu einem instabilen Betrieb führen, effektiv verhindern.
Weiterhin lässt sich das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem auch mit höheren Betriebstemperaturen betreiben, da der Isolierungsaufwand geringer gehalten werden kann aufgrund des geringeren Flüssigkeitsvolumens, welches vorrätig gehalten werden muss. Dadurch ergibt sich eine höhere Leistungsdichte.
Es ist insbesondere eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung an eine Brennstoff-Dosierungseinrichtung gekoppelt. Dadurch lässt sich die Brennstoffmenge, welche dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung zugeführt wird, um die Brennstoffkonzentration in dem Wasser-Brennstoff-Gemisch einzustellen, auf einfache Weise regeln.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung und der Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung derart fluidwirksam miteinander verbunden sind, dass gesteuert über eine Füllstandsdifferenz Wasser von dem Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung zu dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung führbar ist. Durch die Steuerung des Wasserübertritts über die Füllstandsdifferenz lässt sich eine einfache automatische Steuerung bzw. Regelung für den Wasserhaushalt im Direktoxidations-Brennstoffzellensystem erreichen. Beispielsweise lässt sich diese Steuerung/Regelung über die Füllstandsdifferenz auf einfache Weise mittels eines Rückschlagventils erreichen. Es muss dann der Füllstand jeweils im Wasseraufnahmeraum und im Flüssigkeitsaufnahmeraum nicht absolut erfasst werden, das heißt es müssen insbesondere keine Füllstandssensoren vorgesehen werden. Weiterhin ist es nicht notwendig, ein geregeltes Ventil oder eine Pumpe für den Wassertransport zwischen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum und dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum vorzusehen. Unterschiedliche Füllstände werden über die Steuerung durch die Füllstandsdifferenz sehr schnell ausgeglichen. Dadurch lässt sich der Füllstand im Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung mit geringer Schwankungsbreite konstant halten. Dadurch wiederum lässt sich der Anodeneinrichtung ein Wasser-Brennstoff-Gemisch bereitstellen, bei dem die Konzentrationsschwankungen für den Brennstoff gering gehalten sind. Dies wiederum erlaubt eine einfache Regelung der Brennstoffzuführung und ermöglicht den Betrieb des Brennstoffzellenblocks in einem optimierten Arbeitspunkt. Durch die automatische Steuerung/Regelung des Wasserhaushalts über die Verbindung zwischen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum und dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum lässt sich das Gesamtvolumen des Wassers, welches im System gehalten werden muss, gering halten. Dadurch lassen sich wiederum entsprechende Behälter für den Wasseraufnahmeraum und den Flüssigkeitsaufnahmeraum mit geringem Volumen ausbilden.
Es ist keine externe Steuerungs-/Regelungseinrichtung zur Steuerung/Regelung des Wasserhaushalts notwendig; dieser steuert/regelt sich selbständig über die Füllstandsdifferenz. Dadurch tritt kein Leistungsverbrauch für die Steuerung/Regelung ein, so dass das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Weiterhin lässt sich die Anzahl der bewegten Teile für die Steuerung/Regelung des Wasserhaushalts gering halten. Es genügt grundsätzlich ein Ventil und insbesondere ein Rückschlagventil.
Da sich die Wasserübertrittsmenge von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum zu dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum über die Füllstandsdifferenz steuern lässt, lässt sich überschüssiges Wasser aus dem System auf einfache Weise austragen, beispielsweise über einen Überlauf. Es ist deshalb keine externe Steuerung bzw. Regelung für den Austrag von überschüssigem Wasser notwendig. Insbesondere muss kein Füllstandsmesser, geregeltes Ventil oder Pumpe für den Austrag von überschüssigem Wasser vorgesehen werden. Dadurch ist ein schneller Austrag ohne Leistungsverbrauch und ohne das bewegte Teile vorgesehen werden müssen, realisiert.
Dies wiederum trägt dazu bei, dass Konzentrationsschwankungen für das Wasser-Brennstoff-Gemisch zur Zuführung zu der Anodeneinrichtung gering gehalten werden können. Außerdem lässt sich reines Wasser austragen, so dass Entsorgungsprobleme vermieden sind.
Insbesondere lassen sich kleine und transportable Direktoxidations-Brennstoffzellensysteme bzw. Systeme, die aufgrund einer niedrigen Leistungsklasse nicht genügend thermische Energie erzeugen, überschüssiges Wasser gasförmig austragen zu können, realisieren. Es lassen sich beispielsweise auch Systeme realisieren, bei denen die Abgabemenge an gasförmigem Wasser begrenzt ist, wie beispielsweise bei Indoor-Anwendungen.
Günstig ist es, wenn der Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung an mindestens einen kathodenseitigen Wasserabscheider gekoppelt ist. Ein Ausgang dieses kathodenseitigen Wasserabscheiders, welcher insbesondere flüssiges Wasser bereitstellt, ist mit einem Eingang des Wasseraufnahmeraums verbunden. Es lässt sich dadurch reines Wasser in flüssiger Form in den Wasseraufnahmeraum einführen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn dem Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung ein Überlauf zugeordnet ist. Über den Überlauf lässt sich eine Füllstandsschwelle definieren. Wenn diese überschritten wird, dann enthält das System eine zu große Menge an Wasser und eine entsprechende Menge an Wasser muss ausgetragen werden. Durch den Überlauf erfolgt ein automatischer Austrag dieser überschüssigen Wassermenge. Es ist dabei keine Füllstandsmessung notwendig, sondern es erfolgt ein automatischer Austrag. Es ist keine externe Steuerung bzw. Regelung für den Austrag von überschüssigem Wasser notwendig. Austrag bedeutet dabei, dass überschüssiges Wasser dem Wasserkreislauf entnommen wird. Das Wasser kann dabei endgültig aus dem System entfernt werden oder in einem Pufferspeicher gespeichert werden.
Bei einer Ausführungsform ist ein Überschusswasser-Aufnahmeraum vorgesehen, welcher mit dem Überlauf verbunden ist. Dieser Überschusswasser-Aufnahmeraum dient als Pufferspeicher, um überschüssiges Wasser aufzunehmen. Ein solcher Pufferspeicher ist beispielsweise vorteilhaft bei einer Indoor-Anwendung, bei der Wasser nicht direkt in die Umgebung ausgetragen werden kann.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass über den Überlauf überschüssiges Wasser aus einem Wasserkreislauf entfernbar ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Überschusswasser-Aufnahmeraum und der Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung und/oder der Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung in einem gemeinsamen Tank angeordnet sind. Dadurch lässt sich das Gewicht und auch das Volumen des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems gering halten. Insbesondere ist dann der Tank in mehrere Kammern unterteilt, wobei eine Kammer den Überschusswasser-Aufnahmeraum und eine andere Kammer den Wasseraufnahmeraum bzw. den Flüssigkeitsaufnahmeraum bildet.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn der Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung und der Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung in einem gemeinsamen Tank angeordnet sind.
Es ist günstig, wenn der Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung eingangsseitig an eine Brennstoffquelle gekoppelt ist. Dadurch lässt sich Brennstoff in den Flüssigkeitsaufnahmeraum einkoppeln und mit Wasser vermischen, um ein Wasser-Brennstoff-Gemisch zur Zuführung zu der Anodeneinrichtung bereitzustellen. Die Brennstoffkonzentration des Wasser-Brennstoff-Gemischs in dem Flüssigkeitsaufnahmeraum lässt sich auf einfache Weise über die Steuerung/Regelung der Einkopplung des Brennstoffs von der Brennstoffquelle in den Flüssigkeitsaufnahmeraum steuern bzw. regeln.
Günstigerweise ist eine Dosierungseinrichtung zur dosierten Brennstoffzuführung zu dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung vorgesehen. Über die Dosierungseinrichtung lässt sich die Konzentration von Brennstoff im Wasser-Brennstoff-Gemisch, welches der Anodeneinrichtung zugeführt wird, einstellen. Dadurch lässt sich der Brennstoffzellenblock in einem optimiertem Arbeitspunkt betreiben. Insbesondere lässt er sich so betreiben, dass der Brennstoff-Crossover von der Anodeneinrichtung zur Kathodeneinrichtung gering gehalten ist.
Vorteilhaft ist es, wenn der Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung ausgangsseitig an die Anodeneinrichtung gekoppelt ist. Dadurch lässt sich der Flüssigkeitsaufnahmeraum als Mischungsraum ausbilden, in dem das Wasser-Brennstoff-Gemisch mit definierter Brennstoffkonzentration hergestellt werden kann, welches dann dem Brennstoffzellenblock zugeführt wird.
Es ist günstig, wenn der Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung und der Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung so miteinander verbunden sind, dass kein Fluid vom Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung in den Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung übertreten kann. Dadurch wird sichergestellt, dass in dem Wasseraufnahmeraum nur reines Wasser vorhanden ist. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise, beispielsweise über einen Überlauf, über den Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung reines Wasser aus dem Brennstoffzellensystem austragen. Ferner lässt sich auf einfache Weise eine Füllstandsdifferenzsteuerung für den Wasserübertritt von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum zu dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum realisieren.
Der Wasserübertritt lässt sich auf einfache Weise ausbilden, wenn der Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung und der Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung über ein oder mehrere Ventile fluidwirksam verbunden sind. Durch das oder die Ventile lassen sich die beiden Aufnahmeräume trennen und dabei fluidwirksam verbinden, um einen mengenmäßig definierten Wasserübertritt von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum zu dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum zu ermöglichen. Über die entsprechende Einstellung des oder der Ventile lässt sich gesteuert über die Füllstandsdifferenz der Wasserübertritt steuern, um insbesondere eine Selbststeuerung bzw. Selbstregelung des Wasserhaushalts im Direktoxidations-Brennstoffzellensystem zu ermöglichen.
Insbesondere ist das mindestens eine Ventil ein Rückschlagventil. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise ein Wasserübergang von dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum in den kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum verhindern.
Beispielsweise ist das mindestens eine Ventil an oder in der Nähe eines Bodens des Wasseraufnahmeraums der Wasserabführungseinrichtung angeordnet. An dem Ventil steht dann an einer Seite der statische Druck des Wassers im kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum und an der anderen Seite der statische Druck des Wasser-Brennstoff-Gemisches im anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum an und über das Ventil liegt die Druckdifferenz an. Es lässt sich eine bestimmte (vorzugsweise geringe) Differenzdruckschwelle einstellen, bei der das Ventil öffnet, um einen Wasserübertritt von dem Wasseraufnahmeraum zu dem Flüssigkeitsaufnahmeraum zu ermöglichen. Der Differenzdruck, welcher an dem Ventil ansteht, entspricht einer Füllstandsdifferenz, so dass auf einfache Weise eine automatische Steuerung/Regelung für den Wasserübertritt und damit für den Wasserhaushalt im Direktoxidations-Brennstoffzellensystem realisiert ist.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn das mindestens eine Ventil an oder in der Nähe eines Bodens des Flüssigkeitsaufnahmeraums der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung angeordnet ist.
Günstigerweise ist das mindestens eine Ventil so eingestellt, dass es bei Erreichen einer bestimmten Differenzdruckschwelle auf Durchlass schaltet. Diese Differenzdruckschwelle ist vorzugsweise so eingestellt, dass das Ventil bei einem geringen Differenzdruck öffnet. Dadurch lässt sich ein schneller Füllstandsausgleich erreichen. Dadurch wird eine selbständige Steuerung/Regelung des Wasserhaushalts im Direktoxidations-Brennstoffzellensystem mit geringer Zeitverzögerung erreicht. Dies wiederum bewirkt, dass die Konzentration des Brennstoffs bei der Zuführung zur Anodeneinrichtung nur eine gering Schwankungsbreite aufweist.
Insbesondere ist ein Wasserrücklauf von der Kathodeneinrichtung zu der Anodeneinrichtung über einen Füllstandsausgleich zwischen dem Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung und dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung gebildet. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der Wasserhaushalt in dem Direktoxidations-Brennstoffzellensystem steuern bzw. regeln.
Es ist grundsätzlich möglich, dass einem Ausgang der Anodeneinrichtung ein Anodenabgas-Abscheider nachgeschaltet ist. Bei einer Ausführungsform ist ein Ausgang der Anodeneinrichtung direkt an dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung verbunden. Es wird dann das von der Anodeneinrichtung kommende Fluid direkt in den Flüssigkeitsaufnahmeraum eingekoppelt. Dadurch lässt sich das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem mit geringem Gewicht realisieren.
Es ist dann insbesondere ein Anodenabgas-Abscheidekreis an den Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung gekoppelt. In diesem Anodenabgas-Abscheidekreis wird Flüssigkeit aus dem Anodenabgas abgeschieden.
Insbesondere ist ein Flüssigkeitsaufnahmeraum der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung ein Ausgang zugeordnet (welcher ein Eingang des Anodenabgas-Abscheidekreises ist), über den flüssigkeitsreiches Anodenabgas abführbar ist, und ein Eingang (welcher ein Ausgang des Anodenabgas-Abscheidekreises ist) zugeordnet, über welchen anodenabgasarme Flüssigkeit einführbar ist. Über einen solchen Anodenabgas-Abscheidekreis lässt sich auf einfache Weise Anodenabgas und insbesondere CO₂ abscheiden.
Vorteilhafterweise ist dazu zwischen dem Eingang und dem Ausgang ein Anodenabgas-Abscheider angeordnet.
Es kann vorgesehen sein, dass der Anodenabgas-Abscheider an eine Oxidatorzuführungseinrichtung zu der Kathodeneinrichtung gekoppelt ist. Dadurch lässt sich über zugeführten Kühloxidator (insbesondere in der Form von Luftsauerstoff) die Anodenabgas-Abscheidung erleichtern. Es ist auch möglich, dass der Anodengas-Abscheider und ein Kathodengas-Abscheider so miteinander kombiniert sind, dass eine gemeinsame Kühleinrichtung verwendet werden kann.
Günstig ist es, wenn eine Kondensationseinrichtung zur Kondensation von Wasser aus Kathodenabgas vorgesehen ist. Dadurch lässt sich flüssiges Wasser abscheiden und insbesondere im Überschuss abscheiden. Dadurch wiederum lässt sich die optimierte Betriebsweise des erfindungsgemäßen Direktoxidations-Brennstoffzellensystems sicherstellen.
Günstigerweise ist der Kondensationseinrichtung ein Wasserabscheider vorgeschaltet und/oder ein Wasserabscheider nachgeschaltet. Über einen vorgeschalteten Wasserabscheider lässt sich Wasser direkt abscheiden und dem Wasseraufnahmeraum zuführen. Über die Kondensationseinrichtung lässt sich gasförmiges Wasser (in der Form von Wasserdampf) auskondensieren und insbesondere im Überschuss auskondensieren. Über einen eventuell nachgeschalteten Wasserabscheider lässt sich noch enthaltenes flüssiges Wasser abscheiden.
Günstig ist es, wenn ein Wasserausgang der Kondensationseinrichtung mit dem Wasseraufnahmeraum der Wasserabführungseinrichtung verbunden ist.
Es ist ferner günstig, wenn der Kondensationseinrichtung eine Kühleinrichtung zugeordnet ist, um flüssiges Wasser auskondensieren zu können.
Es ist dann insbesondere vorteilhaft, wenn die Kühleinrichtung mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung verbunden ist, so dass eine Kühlleistung durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung steuerbar und/oder regelbar ist. Es lässt sich dadurch in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems sicherstellen, dass flüssiges Wasser in Überschuss auskondensiert wird.
Bei dem Direktoxidations-Brennstoffzellensystem kann es sich beispielsweise um ein Direktmethanol-Brennstoffzellensystem oder um ein Direktethanol-Brennstoffzellensystem handeln.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich ein stabiler Betrieb des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren die Schritte umfasst:

– Zuführung von von der Kathodeneinrichtung abgeführtem Wasser in flüssiger Form in einen kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum;
– Zuführung eines Brennstoff-Wasser-Gemischs aus einem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum zu der Anodeneinrichtung, wobei der kathodenseitige Wasseraufnahmeraum und der anodenseitige Flüssigkeitsaufnahmeraum miteinander verbunden sind oder werden;
– Steuerung des Wasserübergangs von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum in den anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum durch eine Füllstandsdifferenz;
– Messung des von dem Direktoxidations-Brennstoffzellensystem erzeugten Stroms;
– Berechnung des Brennstoffverbrauchs als Summe des erzeugten Stroms und eines Übertrittsanteils mittels einer vorher bestimmten Kalibrierungsfunktion; und
– Regelung der Brennstoffzuführung gemäß dem ermittelten Brennstoffverbrauch durch Regelung der Menge des dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum zugeführten Brennstoffs.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Direktoxidations-Brennstoffzellensystem erläuterten Vorteile auf.
Günstig ist es, wenn eine Menge an Brennstoff zudosiert wird, welche dem ermittelten Brennstoffverbrauch entspricht. Dadurch lässt sich auf einfache Weise die Brennstoffkonzentration konstant halten und dadurch wiederum lässt sich das Brennstoffzellensystem in einem optimalen Betriebspunkt betreiben. Auch wenn der ermittelte Brennstoffverbrauch nicht genau dem tatsächlichen Brennstoffverbrauch entspricht, lässt sich dennoch die Brennstoffkonzentration konstant halten. Falls der ermittelte Brennstoffverbrauch zu niedrig ist, wird weniger Brennstoff zudosiert. Dadurch sinkt die Brennstoffkonzentration, wodurch wiederum der Brennstoffverbrauch aufgrund von Brennstoffübertritt von der Anodenseite zur Kathodenseite sinkt. Ist umgekehrt der ermittelte Brennstoffverbrauch im Vergleich zu dem tatsächlichen Brennstoffverbrauch zu hoch, dann wird mehr Brennstoff zudosiert und die Brennstoffkonzentration steigt. Dadurch wiederum steigt der Brennstoffverbrauch aufgrund von Brennstoffübertritt. Die Größe der Abweichungen zwischen dem ermittelten Brennstoffverbrauch und dem tatsächlichen Brennstoffverbrauch sind von der Genauigkeit der Kalibrierungsfunktion abhängig sowie den Pumpen und den Sensoren abhängig.
Insbesondere ist die Brennstoffkonzentration für den anodenseitig zugeführten Brennstoff eine Regelgröße während des Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems. Dadurch lässt sich eine Einregelung auf den optimalen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems erreichen. Dazu muss die Brennstoffkonzentration nicht gemessen werden, sondern über die Ermittlung des Brennstoffverbrauchs mit dem Übertrittanteil lässt sich eine Einregelung auf eine vorgegebene Brennstoffkonzentration durchführen.
Günstig ist es insbesondere, wenn die Brennstoffkonzentration nicht gemessen wird. Dadurch muss das Brennstoffzellensystem nicht dauerhaft einen entsprechenden Sensor erhalten. Über die Kalibrierungsfunktion (die für diese optimierte Brennstoffkonzentration ermittelt ist) lässt sich eine Einregelung erreichen, über die sich der optimierte Betriebspunkt erreichen lässt.
Insbesondere ist es günstig, wenn der kathodenseitige Wasseraufnahmeraum und der anodenseitige Flüssigkeitsaufnahmeraum über ein oder mehrere Rückschlagventile verbunden sind oder werden. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine selbständige Steuerung/Regelung des unidirektionalen Wasserübertritts von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum zu dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum realisieren. Weiterhin lässt sich auf einfache Weise überschüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellensystem über den kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum abführen, wobei dieses abgeführte Wasser rein ist.
Insbesondere erfolgt zwischen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum und dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum ein Füllstandsausgleich, das heißt der Wasserübergang ist von der Füllstandsdifferenz derart gesteuert, dass ein Wasserübergang so lange erfolgt, bis die Füllstände ausgeglichen sind, das heißt die Füllstandsdifferenz unterhalb einem Schwellenwert liegt. (Der Schwellenwert ist bestimmt durch die Differenzdruckschwelle für das Öffnen eines Ventils.)
Insbesondere erfolgt der Füllstandsausgleich automatisch, so dass keine externe Steuerungs-/Regelungseinrichtung vorgesehen werden muss, um den Wasserhaushalt zu steuern/regeln.
Insbesondere erfolgt die Überführung von Wasser von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum in den anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum gemäß einem Differenzdruck zwischen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum und dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum. Der Differenzdruck entspricht einer Füllstandsdifferenz. Der Differenzdruck steht beispielsweise an einem entsprechend angeordneten Ventil an. Dieses öffnet sich, wenn eine bestimmte Differenzdruckschwelle erreicht ist, um den Wasserübertritt zu ermöglichen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn kathodenseitig überschüssiges Wasser über einen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum zugeordneten Überlauf abgeführt wird. Das kathodenseitig anstehende überschüssige Wasser lässt sich in reiner Form ohne Brennstoffanteile abführen, so dass keine Entsorgungsprobleme bestehen. Über einen Überlauf lässt sich auf einfache Weise selbständig gesteuert eine Überschussmenge abführen. Es ist keine Füllstandsmessung für den Austrag von überschüssigem Wasser notwendig. Eine externe Steuerungs-/Regelungseinrichtung muss nicht eingreifen.
Insbesondere wird dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum Brennstoff zugeführt. Der Flüssigkeitsaufnahmeraum dient als Mischungsraum zur Herstellung eines Wasser-Brennstoff-Gemisches, welches wiederum von dem Flüssigkeitsaufnahmeraum der Anodeneinrichtung zugeführt wird.
Insbesondere wird von der Kathodeneinrichtung zu der Anodeneinrichtung Wasser über die Verbindung zwischen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum und dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum rückgeführt. Dadurch lässt sich die für den Betrieb des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems notwendige Wassermenge im System halten. Das System lässt sich dadurch mit entsprechendem geringerem Gewicht und Volumen ausbilden.
Insbesondere wird der erzeugte Strom zeitaufgelöst während des Betriebs des Brennstoffzellensystems gemessen. Dadurch lässt sich grundsätzlich zu den Messpunkten der Brennstoffverbrauch ermitteln. Durch die Messung des Stroms lässt sich direkt der Stromanteil ermitteln (d. h. derjenige Anteil im Brennstoffverbrauch, der direkt auf die elektrochemische Umsetzung von Brennstoff und Oxidator zurückzuführen ist). Weiter lässt sich der gemessene Wert dazu nutzen, um den Übertrittanteil zu bestimmen.
Insbesondere wird die Kalibrierungsfunktion für Brennstoffübertritt für einen Brennstoffzellenblock oder einen Typus von Brennstoffzellenblöcken individuell ermittelt. Die Kalibrierungsfunktion ist abhängig von bestimmten Eigenschaften eines Brennstoffzellensystems, insbesondere der Ausgestaltung des Elektrolyten, von Elektrodenschichten, Gasdiffusionsschichten und Aufbau von Fluidverteilern, die spezifisch für ein Brennstoffzellensystem sind. Durch die individuelle Ermittlung wird sichergestellt, dass die Kalibrierungsfunktion für ein gegebenes System genau genug ist.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Kalibrierungsdaten für die Kalibrierungsfunktion mittels eines oder mehrerer Sensoren ermittelt werden. Es lassen sich dabei Verfahren und Sensoren verwenden, wie sie in dem eingangs beschriebenen Stand der Technik beschrieben sind. Wenn die Kalibrierungsfunktion als Gesamtmenge der Kalibrierungsdaten festliegt, dann ist keine Messung während des Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems mehr notwendig.
Insbesondere werden die Kalibrierungsdaten für die Kalibrierungsfunktion in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Parameter Brennstoffkonzentration, Temperatur, erzeugter Strom, stöchiometrischer Faktor, Betriebsdruck ermittelt. Die Kalibrierungsdaten können für einen oder mehrere diskrete Werte der Brennstoffkonzentrationen ermittelt werden. Bei dem oder den diskreten Werten handelt es sich insbesondere um Zielkonzentrationen. Da sich der Betriebsdruck auf einfache Weise konstant halten lässt, muss die Abhängigkeit von ihm nicht unbedingt ermittelt werden.
Insbesondere werden die Parameter Temperatur und/oder erzeugter Strom und/oder stöchiometrischer Faktor und/oder Brennstoffkonzentration und/oder Betriebsdruck zur Ermittlung der Kalibrierungsdaten variiert. Da üblicherweise ein Brennstoffzellensystem mit konstanter Brennstoffkonzentration betrieben werden soll, ist eine Variation in der Brennstoffkonzentration nicht unbedingt notwendig, sondern es reicht grundsätzlich aus, eine oder mehrere diskrete Brennstoffkonzentrationen entsprechend der Zielkonzentration für den Betrieb vorzugeben.
Günstigerweise werden Kalibrierungsdaten der Kalibrierungsfunktion in Form von Brennstoffübertrittsmengen pro Zeiteinheit abgespeichert. Dadurch lässt sich dann direkt der Übertrittanteil im Brennstoffverbrauch mit Hilfe der Kalibrierungsfunktion ermitteln.
Vorteilhaft ist es, wenn zur Bestimmung des Übertrittanteils am Brennstoffverbrauch die Temperatur und/oder der erzeugte Strom und/oder der stöchiometrische Faktor und/oder der Betriebsdruck ermittelt oder erfasst werden und über die Kalibrierungsfunktion der zugehörige Übertrittanteil im Brennstoffverbrauch bestimmt wird. Dadurch lässt sich der Übertrittanteil während des Betriebsmodus der Brennstoffzelle aus der Kalibrierungsfunktion bestimmen. Dieser lässt sich über die Ermittlung bzw. Messung von einfach zugänglichen Parametern ermitteln. Insbesondere wird die Brennstoffkonzentration nicht gemessen, sondern als Zielkonzentration vorgegeben.
Insbesondere werden die Parameter zeitaufgelöst ermittelt. Dadurch lässt sich zu jedem Zeitpunkt der Brennstoffverbrauch ermitteln.
Insbesondere ist der Brennstoff ein Alkohol. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich dann insbesondere um ein Direktmethanol-Brennstoffzellensystem oder um ein Direktethanol-Brennstoffzellensystem.
Günstig ist es, wenn aus dem Kathodenabgas flüssiges Wasser auskondensiert wird. Es lässt sich dadurch erreichen, dass Wasser im Überschuss auskondensiert wird und so flüssiges Wasser dem Wasseraufnahmeraum zuführbar ist. Dadurch lässt sich garantieren, dass das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem optimiert betrieben wird.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Direktmethanol-Brennstoffzelle mit den relevanten Reaktionen;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Direktoxidations-Brennstoffzellensystems;
3 bis 7 Messdiagramme für ein Direktmethanol-Brennstoffzellensystem mit
3 einem Ausschnitt aus einer Kalibrierungsfunktion als Crossover in Abhängigkeit der Konzentration bei konstanter Temperatur T = 70°C und zwei unterschiedlichen erzeugten Strömen (I = 12 A, obere Kurve und I = 6 A, untere Kurve) in Abhängigkeit der Methanolkonzentration, wobei die eingezeichneten Geraden Regressionsgeraden sind;
4 einen Ausschnitt aus der Kalibrierungsfunktion in Abhängigkeit der Methanolkonzentration bei konstantem Strom I = 12 A bei einer Temperatur von T = 70°C (obere Kurve) und T = 50°C (untere Kurve), wobei die eingezeichneten Geraden Regressionsgeraden sind;
5 einen Ausschnitt aus der Kalibrierungsfunktion in Abhängigkeit der Konzentration für konstante Temperatur T = 50°C und konstantem Strom I = 6 A mit einem stöchiometrischen Methanolfaktor λ_A = 18 (obere Kurve) und λ_a = 6 (untere Kurve), wobei die eingezeichneten Geraden Regressionsgeraden sind;
6 einen Ausschnitt der Kalibrierungsfunktion bei konstantem Strom I = 12 A und konstantem Stöchiometriefaktor λ_A = 6 für zwei unterschiedliche Konzentration und
7 den zeitlichen Verlauf der Methanolkonzentration bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Direktoxidations-Brennstoffzellensystems, welches in 2 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Brennstoffzellenblock 12 (Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellen-Stack), welcher eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 14 (1) umfasst.
Eine Brennstoffzelle 14 umfasst eine Anode 16 und eine Kathode 18. Zwischen der Anode 16 und der Kathode 18 ist ein protonenleitender Elektrolyt 20 angeordnet, welcher beispielsweise in Form einer Membran ausgebildet ist.
Die Anode 16 und die Kathode 18 sind elektrisch über einen Stromkollektor kontaktiert.
Die Gesamtheit der Anoden 16 des Brennstoffzellenblocks 12 bildet eine Anodeneinrichtung 22. Die Gesamtheit der Kathoden 18 des Brennstoffzellenblocks 12 bildet eine Kathodeneinrichtung 24.
Bei dem Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 handelt es sich um ein Direktoxidations-Brennstoffzellensystem, welchem der Brennstoff in flüssiger Form zugeführt wird. Beispielsweise handelt es sich um ein Direktmethanol-Brennstoffzellensystem (DMFC) oder um ein Direktethanol-Brennstoffzellensystem (DEFC), mit dem der Brennstoff jeweils ein Alkohol, nämlich Methanol oder Ethanol ist. Dieser Brennstoff wird in wässriger Lösung als Wasser-Brennstoff-Gemisch zugeführt.
Der Anode 16 ist zur Zuführung von Brennstoff ein Fluidverteiler 26 zugeordnet.
Der Kathode 18 wird Oxidator insbesondere in der Form von Luftsauerstoff zugeführt. Dazu ist der Kathode 18 ein entsprechender Fluidverteiler 28 zugeordnet.
Im Folgenden wird das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 anhand eines Direktmethanol-Brennstoffzellensystems erläutert.
Bei diesem wird Methanol als Brennstoff zugeführt und an einer Brennstoffzelle 14 erfolgt eine kalte Verbrennung gemäß folgender Bruttoreaktionsgleichung: CH₃OH + 3/2 O₂ → 2H₂O + CO₂
Dabei wird elektrischer Strom produziert. Durch die Stromproduktion tritt ein Brennstoffverbrauch auf.
Bei Direktmethanol-Brennstoffzellen kommt es in der Regel zu einem elektroosmotischen Übertritt des Brennstoffs von der Anodenseite zu der Kathodenseite (Brennstoff-Crossover oder Brennstoff-Drag). An der Kathodenseite tritt eine bezüglich der Stromproduktion nicht nutzbare direkte Oxidation des Brennstoffs mit Sauerstoff auf. Der Brennstoff-Crossover ist abhängig von der Brennstoff-Konzentration, wobei bei niedrigerer Brennstoff-Konzentration die Übertrittsmenge an Brennstoff geringer ist. Ein Direktmethanol-Brennstoffzellensystem wird deshalb bevorzugt bei niedrigeren Brennstoffkonzentrationen betrieben. Üblicherweise liegt der Wert bei 0,5 bis 2 molar.
Anodenseitig wird der Brennstoff in wässriger Lösung zugeführt. Das entstehende Reaktionsprodukt CO₂ ist mit Wasser vermischt.
Kathodenseitig entsteht als Reaktionsprodukt Wasser aufgrund der "normalen" Brennstoffzellenreaktion mit Stromerzeugung. Das Wasser liegt dabei üblicherweise gasförmig vor. Durch den Brennstoff-Crossover, bei dem ein Innentransport mit Hydrathülle durch den Elektrolyt 20 erfolgt, fällt an der Kathodeneinrichtung 24 Brennstoff an, welcher dort oxidiert wird (ohne Beitrag zur Stromproduktion). Auch dadurch fällt Wasser an. Weiterhin kann Wasser durch den Elektrolyt 20 diffundieren. Es ist auch möglich, dass Wasser durch Permeation von der Anodeneinrichtung 22 zu der Kathodeneinrichtung 24 gelangt.
Auch die Luftfeuchtigkeit kann einen Beitrag zu dem Wasserhaushalt des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10 liefern.
Das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine kathodenseitige Wasserabführungseinrichtung 30. Diese weist eine Kondensationseinrichtung 32 auf, welche an die Kathodeneinrichtung 24 gekoppelt ist. Mit der Kondensationseinrichtung 32 lässt sich das Abführungsprodukt von der Kathodeneinrichtung 24 abkühlen, wobei insbesondere Wasser verflüssigt wird.
Der Kondensationseinrichtung 32 ist eine Kühleinrichtung 34 und insbesondere ein Ventilator zugeordnet.
Die Kondensationseinrichtung 32 umfasst ferner einen Wasserabscheider 36.
Der Kondensationseinrichtung 32 ist ein weiterer Wasserabscheider 38 vorgeschaltet und ein weiterer Wasserabscheider 40 nachgeschaltet. Mittels den Wasserabscheidern 36, 38, 40 lässt sich Wasser von den übrigen Bestandteilen trennen.
Von den Wasserabscheidern 36, 38, 40 führen jeweils Leitungen 42a, 42b, 42c zu (mindestens einem) ersten Behälter 44 mit einem kathodenseitigen (mindestens einem) Wasseraufnahmeraum 46. In den ersten Behälter 44 kann von den Wasserabscheidern 36, 38, 40 abgeschiedenes (reines) flüssiges Wasser eingekoppelt werden. Die Leitungen 42a, 42b, 42c können dabei direkt an den ersten Behälter 44 angeschlossen sein oder an eine Sammelleitung 48, welche zu dem ersten Behälter 44 führt.
Dem Wasseraufnahmeraum 46 ist ein Überlauf 50 beispielsweise mit einem Überlaufrohr zugeordnet, welcher insbesondere bezogen auf die Schwerkraftrichtung an oder in der Nähe eines oberen Endes des Wasseraufnahmeraums 46 angeordnet ist bzw. oberhalb des Wasseraufnahmeraums 46 angeordnet ist. Wenn ein Füllstand 52 von Wasser im Wasseraufnahmeraum 46 eine bestimmte Schwelle 54 überschreitet, dann lässt sich über den Überlauf 50 die entsprechende Wassermenge abführen.
Bei einer Ausführungsform ist ein Überschusswasser-Aufnahmeraum 56 in einem entsprechenden Behälter 58 vorgesehen. Dieser Überschusswasser-Aufnahmeraum 56 steht in fluidwirksamer Verbindung mit dem Überlauf 50.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Abführleitung 60 vorgesehen (in 2 in durchbrochenen Linien angedeutet), welche an den Überlauf 50 angeschlossen ist. Über die Abführleitung 60 lässt sich überschüssiges Wasser aus dem System entfernen.
Es ist auch möglich, einen Überschusswasser-Aufnahmeraum und eine Abführleitung 60 zu kombinieren.
Der Überschusswasser-Aufnahmeraum 56 ist beispielsweise vorteilhaft, wenn das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 in einem geschlossenen Raum eingesetzt werden soll. Es lässt sich dadurch die Wasserabgabe des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10, welches im Betrieb Wasser im Überschuss produziert, verhindern; der Überschusswasser-Aufnahmeraum 56 kann das überschüssige Wasser aufnehmen, bis er gefüllt ist. Über die Abführleitung 60 kann beim Betrieb des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10 permanent überschüssiges Wasser abgeführt werden, und/oder es ist möglich, über die Abführleitung 60 den Überschusswasser-Aufnahmeraum 56 zu entleeren.
Es ist ferner eine Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung 62 vorgesehen, über die sich das Wasser-Brennstoff-Gemisch der Anodeneinrichtung 22 des Brennstoffzellenblocks 12 zuführen lässt.
Diese Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung 62 umfasst (mindestens einen) zweiten Behälter 64 mit einem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66.
Es ist vorteilhaft, wenn der Wasseraufnahmeraum 46 (der Wasserabführungseinrichtung 30) und der Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 (der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung 62) in einem gleichen Tank 68 angeordnet sind. Gegebenenfalls ist auch der Überschusswasser-Aufnahmeraum 56 in dem gleichen Tank 68 angeordnet. Dadurch lässt sich das Gewicht und das Volumen des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10 minimieren.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Boden 70 des Wasseraufnahmeraums 46 und ein Boden 72 des anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraums 66 auf dem gleichen Schwerkraftpotential liegen.
Von dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 führt eine Leitung 74 zu der Anodeneinrichtung 22. Diese Leitung 74 dient als Zuführungsleitung für das Wasser-Brennstoff-Gemisch zu dem Brennstoffzellenblock 12.
An der Leitung 74 ist eine Umwälzpumpe 76 angeordnet. Ferner ist an der Leitung 74 ein Filter 78 angeordnet, welcher insbesondere der Umwälzpumpe 76 vorgeschaltet ist.
Die Leitung 74 verbindet den Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 ausgangsseitig und die Anodeneinrichtung 22 eingangsseitig.
Der Anodeneinrichtung 22 ist ausgangsseitig direkt über eine Leitung 80 mit dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 verbunden.
Über die Leitung 80 lässt sich das Gemisch aus Wasser, unverbrauchtem Brennstoff und Anodenabgas (CO₂) in den zweiten Behälter 64 einführen. Die Leitung 80 ist eingangsseitig an den Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 gekoppelt.
Dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 ist ein Anodenabgas-Abscheidekreis 82 zugeordnet. Dieser umfasst einen Ausgang 84 des zweiten Behälters 64, über den Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 in den Anodenabgas-Abscheidekreis 82 einkoppelbar ist. Ferner ist ein Eingang 86 an dem zweiten Behälter 64 angeordnet, über welchen Flüssigkeit aus dem Anodenabgas-Abscheidekreis 82 in den Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 einkoppelbar ist.
Zwischen dem Ausgang 84 und dem Eingang 86 ist ein Anodenabgas-Abscheider 88 angeordnet. Über diesen lässt sich dann CO₂ abscheiden. Aus dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 wird anodenabgasreiche Flüssigkeit über den Ausgang 84 in den Anodenabgas-Abscheidekreis 82 eingekoppelt und über den Eingang 86 wird anodenabgasarme Flüssigkeit in den Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 eingekoppelt.
Über eine Oxidatorzuführungseinrichtung 90 wird Oxidator insbesondere in der Form von Luftsauerstoff der Anodeneinrichtung 24 zugeführt. Sie umfasst einen Luftverdichter 92. Diesem ist ein Filter 94 und ein Schalldämpfer 96 vorgeschaltet.
Der Anodenabgas-Abscheider 88 und die Kondensationseinrichtung 32 (Kathodengas-Abscheider) sind so angeordnet, dass für beide die Kühleinrichtung 34 nutzbar ist, um Volumen und das Gewicht zu reduzieren.
Das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffquelle 98, bei der es sich insbesondere um (mindestens) einen Brennstofftank handelt. Diesem ist eine Dosierungseinrichtung 100 wie beispielsweise eine Dosierpumpe zugeordnet. Über diese Dosierungseinrichtung 100 lässt sich eine definierte Brennstoffmenge (wie beispielsweise Methanolmenge) in den Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 einkoppeln, um die Brennstoffkonzentration des der Anodeneinrichtung 22 zugeführten Wasser-Brennstoff-Gemisches definiert einstellen zu können. Der Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 ist ein Mischungsraum für die Mischung von Brennstoff und Wasser, und dient damit zur Herstellung der Wasser-Brennstoff-Lösung zur Zuführung zu der Anodeneinrichtung 22.
Das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 102 zur Steuerung/Regelung des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems. Insbesondere lässt sich über die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 102 die Brennstoffkonzentration bei der Zuführung zur Anodeneinrichtung 22 steuern bzw. regeln.
Wie unten stehend noch erläutert, kann eine Steuerung/Regelung des Wasserhaushalts für das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 ohne Eingriff der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 102 durchgeführt werden, das heißt über die erfindungsgemäße Lösung lässt sich eine "Selbststeuerung/Selbstregelung" realisieren.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 102 steuert/regelt die Dosierungseinrichtung 100. Dazu ist (mindestens) eine entsprechende Signalleitung vorgesehen, über welche die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 102 entsprechende Steuersignale/Regelsignale an die Dosierungseinrichtung 100 sendet.
Weiterhin steuert/regelt die Steuerungs-/Regelungseinrichtung die Umwälzpumpe 76 für die Zuführung des Wasser-Brennstoff-Gemischs zu der Anodeneinrichtung 26. Es ist dazu eine entsprechende Verbindung über eine oder mehrere Signalleitungen vorgesehen.
Weiterhin steuert/regelt die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 102 den Luftverdichter 92 der Oxidatorzuführungseinrichtung 90.
Es ist auch vorgesehen, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung die Kühleinrichtung 34 steuert/regelt, um insbesondere die Auskondensation von flüssigem Wasser im Überschuss zu erreichen.
Der von dem Brennstoffzellenblock 12 erzeugte Strom wird an einen Verbraucher 104 abgegeben, wobei eine Formung/Wandlung der elektrischen Energie vor Abgabe vorgesehen sein kann. Der abgenommene Strom wird durch eine Strom-Messeinrichtung 106 gemessen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind der kathodenseitige Wasseraufnahmeraum 46 und der anodenseitige Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 derart miteinander verbunden, dass Wasser aus dem Wasseraufnahmeraum 46 in den Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 übertreten kann. Dadurch kann ein Ausgleich des Füllstands 52 des Wasseraufnahmeraums 46 mit einem Füllstand 108 des Flüssigkeitsaufnahmeraums 66 erfolgen.
Die Verbindung zwischen dem Wasseraufnahmeraum 46 und dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 ist derart, dass der Flüssigkeitsübertritt nur in eine Richtung erlaubt ist, nämlich von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum 46 zu dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum 66.
Zur fluidwirksamen Verbindung des Wasseraufnahmeraums 46 mit dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 ist (mindestens ein) Ventil 110 vorgesehen, welches insbesondere als Rückschlagventil ausgebildet ist mit einer Rückschlagrichtung für den Flüssigkeitstransport von dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 zu dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum 46.
Das Ventil 110 ist vorzugsweise an oder in der Nähe der Böden 70 und 72 angeordnet. Es ist so eingestellt, dass, wenn eine bestimmte Schwelle für den Differenzdruck zwischen dem statischen Druck im Wasseraufnahmeraum 46 und dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 erreicht ist, durchschaltet. Dadurch kann dann Wasser von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum 46 in den anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 strömen und es kann ein Ausgleich der Füllstände 52 und 108 erfolgen, indem der Füllstand 52 abnimmt und der Füllstand 108 zunimmt. Wenn die Druckdifferenz unter die Schwelle fällt, dann schließt das Ventil 110. Die Schwelle ist bevorzugterweise niedrig eingestellt.
Über die fluidwirksame Verbindung zwischen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum 46 und dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 lässt sich eine Wasserrückführung für das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem realisieren. Über das (mindestens eine) Ventil 110 sind die kathodenseitige Wasserabführungseinrichtung 30 und die anodenseitige Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung 62 miteinander verbunden.
Wenn in dem Wasseraufnahmeraum 46 der definierte Füllstand 52 erreicht wird, dann wird das entsprechende überschüssige Wasser automatisch aus dem Wasserkreislauf ausgetragen, indem es in den Überschusswasser-Aufnahmeraum 56 geführt wird oder über die Abführleitung 60 abgeführt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Wasser von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum 46, welcher als Pufferspeicher für flüssiges Wasser dient, zu dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 geführt. Diese Wasserführung ist durch die Differenz der Füllstände 52 und 108 gesteuert und über das Ventil 110 eingestellt. Dadurch ist eine (absolute) Erfassung der Füllstände 52, 108 in dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum 46 und in dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum 66 nicht notwendig. Ferner genügt ein Rückschlagventil zum Wassertransport; ein geregeltes Ventil oder eine Pumpe zwischen dem Wasseraufnahmeraum 46 und dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 ist nicht notwendig.
Unterschiedliche Füllstände 108 und 52 lassen sich sehr schnell automatisch ausgleichen. Dadurch wiederum lässt sich der Füllstand 108 im anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 trotz Wasserabfluss in die Leitung 74 und Wasserzufluss über die Leitung 80 gut konstant halten. Dies wiederum bewirkt, dass sich aufgrund niedriger Konzentrationschwankungen die Brennstoffzuführung zu der Anodeneinrichtung 22 auf einfache Weise regeln lässt (siehe unten).
Es ist vorgesehen, dass über die Kondensationseinrichtung 32 Wasser aus dem Kathodenabgas im Überschuss kondensiert wird. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung steuert/regelt dabei die Kühleinrichtung 34 derart, dass die Kondensation im Überschuss erfolgt. Dadurch lässt sich gewährleisten, dass das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 optimiert betrieben wird.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich die Behälter 58 und 64 mit relativ kleinen Volumina bezüglich der entsprechenden Aufnahmeräume 46, 66 realisieren. Dadurch lässt sich das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 kompakt aufbauen und es können kurze Aufheizphasen realisiert werden.
Der Wasserhaushalt des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10 regelt sich über die Verbindung zwischen dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 und dem Wasseraufnahmeraum 46 selbständig, das heißt die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 102 muss nicht eingreifen und damit auch nicht angekoppelt werden. Dadurch tritt auch kein Leistungsverbrauch für die Steuerung/Regelung des Wasserhaushalts auf. Weiterhin sind keine bewegten Teile außerhalb des Ventils 110 mit der entsprechenden Verschleißanfälligkeit notwendig.
Der Überlauf 50 lässt sich aufgrund der automatischen Füllstandsregelung zwischen dem Wasseraufnahmeraum 46 und dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 66 realisieren, so dass sich überschüssiges Wasser auf einfache Weise über den Überlauf 50 automatisch aus dem Wasserkreislauf abführen lässt. Dadurch sind beispielsweise ein Füllstandsmesser für den Wasseraufnahmeraum 46 oder ein geregeltes Ventil oder eine Pumpe zum Austrag von überschüssigem Wasser nicht mehr notwendig.
Weiterhin lässt sich reines Wasser (welches ja die Wasserabscheider 36, 38, 40 durchlaufen hat) austragen und die Entsorgung ist damit unproblematisch.
Ferner lässt sich überschüssiges Wasser mit geringer Zeitverzögerung aus dem Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 entfernen. Dies trägt dazu bei, dass die Brennstoffkonzentration bei der Zuführung zur Anodeneinrichtung 22 mit geringer Schwankungsbreite konstant gehalten werden kann (siehe unten).
Damit das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 optimal arbeitet, muss die Brennstoffkonzentration im Wasser-Brennstoff-Gemisch (beispielsweise Methanol in Wasser als Lösungsmittel) in einem optimierten Bereich gewählt werden. Es muss beispielsweise ein Methanolüberschuss vorliegen. Dieser wird durch den stöchiometrischen Faktor λ_A charakterisiert, welcher den Brennstoff-Überschuss im Vergleich zu der stöchiometrischen Reaktion gemäß der obigen Gleichung angibt. Bei zu niedriger Brennstoffkonzentration ist ein Betrieb einer Brennstoffzelle 14 nicht möglich, da die Spannung zusammenbricht. Der Brennstoffübertritt von der Anode 16 zur Kathode 18 tritt grundsätzlich bei den momentan zur Verfügung stehenden Elektrolytmembranen auf; der Anteil an Brennstoff, welcher übertritt, ist jedoch um so größer, je höher die Brennstoffkonzentration ist.
Dadurch ergibt sich ein optimierter Bereich für die Brennstoffkonzentration, wobei die Brennstoffkonzentration nicht zu hoch und nicht zu niedrig gewählt werden darf. Insbesondere wird der Brennstoffzellenblock 12 mit einer konstanten Brennstoffkonzentration betrieben. Durch den Brennstoffverbrauch muss über die Dosierungseinrichtung 102 Brennstoff in einen Mischraum 112 geführt werden, um eben den Brennstoffverbrauch auszugleichen und insbesondere eine konstante Brennstoffkonzentration für an dem Fluidverteiler 26 anstehendem Brennstoffgemisch zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird der Brennstoffverbrauch dadurch ermittelt, dass von einem Stromanteil V_I und von einem Übertrittsanteil V_U ausgegangen wird, wobei der Stromanteil auf die oben beschriebene Bruttoreaktion zurückzuführen ist und der Übertrittsanteil auf den Brennstoff-Crossover von der Anodenseite zur Kathodenseite des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10. Der Gesamtverbrauch ergibt sich dann aus Vges = VI + VU.
Der Stromanteil wird dadurch bestimmt, dass der von dem Brennstoffzellenblock 12 erzeugte Strom durch die Strom-Messeinrichtung 106 gemessen wird und daraus dann der zugeordnete Verbrauchsanteil berechnet wird.
Der Übertrittsanteil V_U wird über eine zuvor bestimmte Kalibrierungsfunktion ermittelt:
Zur Ermittlung der Kalibrierungsfunktion werden an dem Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 während einer Kalibrierungsphase Kalibrierungsdaten aufgenommen, welche den Brennstoff-Crossover charakterisieren. Die Kalibrierungsdaten werden individuell für den Brennstoffzellenblock 12 oder für einen Typus von einheitlichen Brennstoffzellenblöcken 12 aufgenommen.
Der Brennstoffübertritt von einer Anode 16 zu einer Kathode 18 ist grundsätzlich abhängig von der Brennstoffkonzentration c, der Temperatur T, des stöchiometrischen Faktors λ_A, des Stroms I, dem Betriebsdruck, der Ausgestaltung des Elektrolyts 20, von Elektrodenschichten der Anode 16 und der Kathode 18, von Gasdiffusionsschichten und von der Ausgestaltung der Fluidverteiler 26, 28. Für ein gegebenes Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 sind bei festgelegtem konstanten Betriebsdruck die Parameter Methanolkonzentration c, Temperatur T, stöchiometrischer Faktor λ_A und Strom I variabel.
Zur Bestimmung der Kalibrierungsdaten werden eine oder mehrere dieser Parameter variiert und über aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren wird die Übertrittsmenge an Brennstoff von der Anodenseite zur Kathodenseite ermittelt.
Beispielsweise wird die Übertrittsmenge durch direkte Konzentrationsbestimmung des Brennstoffs erfasst oder durch die Konzentration an CO₂ im Kathodenabgas (nach dem Wasserabscheider 40) oder über eine separate elektrochemische Zelle als Sensorelement. Beispielsweise kann auch die Dichte und die Temperatur der Brennstofflösung mittels eines Koriolismeters gemessen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Sensor jedoch nur für die Kalibrierungsphase notwendig; während des normalen Betriebs des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10 ist keine solche Messung notwendig, so dass das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 für den Normalbetrieb auch nicht mit einem entsprechenden Sensor ausgestattet werden muss.
Üblicherweise wird ein Direktmethanol-Brennstoffzellensystem oder ein Direktethanol-Brennstoffzellensystem mit konstanter Brennstoffzellenkonzentration betrieben.
Die Kalibrierungsfunktion wird dann bestimmt über Variation des Stroms I, der Temperatur T, der Brennstoffkonzentration c und des stöchiometrischen Faktors λ_A.
In den 3 bis 5 sind Ausschnitte aus Kalibrierungsfunktionen gezeigt, welche für ein Direktmethanolbrennstoffzellensystem mit fünf hintereinandergeschalteten Brennstoffzellen mit einer Elektrodenfläche von je 25 cm² aufgenommen wurde. Die 3 zeigt die Übertrittsmenge (Crossover-Menge) in Milliliter pro Minute als Funktion der Methanolkonzentration in mol/l jeweils bei einer Temperatur T = 70°C. Die obere Kurve wurde für einen Strom von I = 12 A aufgenommen und die untere Kurve für einen Strom von I = 6 A. Die eingezeichneten Geraden sind Regressionsgeraden.
In 4 ist die Crossover-Menge als Funktion der Konzentration für verschiedene Temperaturen bei einem Strom von I = 12 A gezeigt; die obere Kurve wurde für eine Temperatur von 70°C aufgenommen und die untere Kurve für eine Temperatur von 50°C. Die gezeigten Geraden sind Regressionsgeraden.
Die 5 zeigt die Crossover-Menge in Abhängigkeit der Methanolkonzentration bei konstanter Temperatur T = 50°C und konstantem Strom I = 6 A für stöchiometrische Faktoren λ_A = 16 (obere Kurve) und λ_A = 6 (untere Kurve).
Die 6 zeigt die Crossover-Menge als Funktion der Temperatur bei konstanten λ_A = 6 und Strom I = 12 A für zwei verschiedene Konzentrationen.
Die Parameter I, T, λ_A, c (oder eine Untermenge aus diesen Parametern) werden variiert, so dass sich Kalibrierungsdaten ergeben, aus denen sich wiederum eine Kalibrierungsfunktion entsprechend der Crossover-Menge an Brennstoff in Abhängigkeit des entsprechenden Parametersatzes ergibt.
Bei dem normalen Betrieb des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10 (nach Abschluss der Kalibrierungsphase) wird durch die Strom-Messeinrichtung 106 der Strom I ermittelt. Ferner wird die Temperatur T ermittelt und es wird der stöchiometrische Faktor λ_A erfasst (beispielsweise wird er vorgegeben).
Es ist grundsätzlich möglich, dass auch die Konzentration c ermittelt wird, jedoch ist dies zur Konzentrationsregelung nicht unbedingt notwendig, wie unten noch näher erläutert wird.
Die ermittelten bzw. erfassten Parameter (insbesondere I, T, λ_A, oder eine Untermenge davon) werden mit entsprechenden Messeinrichtungen gemessen bzw. Ermittlungseinrichtungen ermittelt und der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 102 übergeben. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 102 bestimmt aus diesen Daten über die Kalibrierfunktion den zugeordneten Brennstoffverbrauch aufgrund von Brennstoffübertritt von der Anodenseite zur Kathodenseite. Aufgrund des damit ermittelten Übertrittsanteils kann der Gesamtbrennstoffverbrauch ermittelt werden.
In 7 ist schematisch der zeitliche Ablauf für ein Regelungsverfahren anhand der Konzentration gezeigt. Die Konzentration soll dabei auf einen festen Wert 1 mol pro Liter eingestellt werden, d. h. die Konzentration ist die Regelgröße, welche zu regeln ist. Der entsprechende Brennstoffzellenblock 12 ist bei T = 50°C, I = 12 A und Umgebungsdruck betrieben. Bei diesen Parametern hat sich für eine Zielkonzentration von einer einmolaren Lösung an Brennstoffgemisch ein Crossover von 0,12 ml/min ergeben.
Zu Beginn des Regelungsverfahrens betrug die Konzentration 1,4 mol/l. Durch das Regelungsverfahren wurde der Gesamtbrennstoffverbrauch bestimmt und die Regelung durch Dosierung der Brennstoffzuführung über die Dosierpumpe so durchgeführt, dass sich, wie in 7 gezeigt, die optimierte Konzentration von 1 mol/l einstellt und im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Durch das Regelungsverfahren lässt sich, wenn die Brennstoffkonzentration zu hoch oder zu niedrig ist, mit Hilfe der vorher bestimmten Kalibrierfunktion eine Einregelung auf den optimalen Wert bzw. optimalen Wertebereich erreichen, ohne dass die Brennstoffkonzentration selber gemessen werden muss.
Wenn der Brennstoffzellenblock 12 nur mit einer vorgegebenen Brennstoffkonzentration betrieben werden soll, dann reicht es aus, die Kalibrierungsfunktion für diese vorgegebene Brennstoffkonzentration zu ermitteln. Bei dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren erfolgt eine automatische Einregelung auf den optimalen Konzentrationswert des Brennstoffes; diese optimale Brennstoffkonzentration ist die Regelgröße. Der Brennstoffübertritt von der Anodenseite zur Kathodenseite hängt relativ stark von der Brennstoffkonzentration ab. Die Kalibrierungsfunktion lässt sich auf die Brennstoff-Zielkonzentration beziehen. Wenn die tatsächliche Brennstoffkonzentration (Ist-Konzentration) über der Ziel-Brennstoffkonzentration liegt, so wird über die Kalibrierungsfunktion ein niedrigerer Übertrittswert berechnet als tatsächlich vorliegt. Dadurch wird dann aber auch über die Dosierungseinrichtung 100 weniger Brennstoff nachdosiert. Dies führt dazu, dass die Brennstoffkonzentration sinkt, was auch wünschenswert ist.
Wenn die Ist-Brennstoffkonzentration unter der Ziel-Brennstoffkonzentration liegt, so wird über die Kalibrierungsfunktion ein größerer Übertrittswert berechnet als tatsächlich vorliegt. Dadurch wird durch die Dosierungseinrichtung 100 mehr nachdosiert und die Brennstoffkonzentration steigt, wie es gewünscht ist. Es wird also stets die Ziel-Brennstoffkonzentration erreicht.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich die Steuerung/Regelung des Wasserhaushalts im Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 vereinfachen und die Regelung der Brennstoffzuführung lässt sich sensorlos realisieren. Das ist besonders vorteilhaft für kleine bzw. transportable Direktoxidations-Brennstoffzellensysteme. Auch bei Direktoxidations-Brennstoffzellensystemen 10, die nicht genügend thermische Energie erzeugen, um überschüssiges Wasser gasförmig austragen zu können, lässt sich die erfindungsgemäße Lösung auf vorteilhafte Weise einsetzen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich das Gewicht des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10 gering halten. Insbesondere lässt sich das Vorratsvolumen für das Wasser-Brennstoff-Gemisch gering halten. Beispielsweise ist es möglich, bei einem 1 kW-System dieses Vorratsvolumen auf unter einen Liter zu reduzieren. Dadurch ist es möglich, das erfindungsgemäße Direktoxidations-Brennstoffzellensystem 10 mit geringem Gewicht und geringem Volumen auszubilden.
Man erhält geringere Konzentrationsschwankungen für den Brennstoff und dadurch auch einen geringeren Crossover-Anteil sowie einen stabileren Betrieb.
Ferner ist eine schnellere Aufheizung des erfindungsgemäßen Direktoxidations-Brennstoffzellensystems 10 bei der Inbetriebnahme möglich und damit erhält man auch verkürzte Inbetriebnahme-Zeiten. Insbesondere lassen sich Inbetriebnahme-Zeiten deutlich unterhalb von 20 min bei einem 1 kW-System erreichen.
Der dynamische Betrieb lässt sich verbessern, da die Konzentrationsregelung für den Brennstoff mit sehr geringer Verzögerung möglich ist und damit erhöhte Konzentrationen (mit erhöhtem Crossover) vermeidbar sind. Ferner sind zu niedrige Konzentrationen, welche zu instabilem Betrieb führen, vermeidbar.
Weiterhin sind höhere Betriebstemperaturen möglich, die eine höhere Leistungsdichte erlauben, da aufgrund der Reduktion der bereitgehaltenen Volumina der Isolierungsaufwand geringer ist.

Claims

Direktoxidations-Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenblock (12) mit mindestens einer Brennstoffzelle (14) und mit einer Anodeneinrichtung (22) und einer Kathodeneinrichtung (24), eine anodenseitige Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (48), eine kathodenseitige Wasserabführungseinrichtung (30), und eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung (102) für die Brennstoffzuführung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserabführungseinrichtung (30) einen Wasseraufnahmeraum (46) aufweist, dass die Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) einen Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) aufweist, dass der Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) und der Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) fluidwirksam miteinander verbunden sind, so dass Wasser von dem Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) zu dem Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) führbar ist, dass durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (102) die Menge des dem Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) zugeführten Brennstoffs regelbar ist, dass eine Strom-Messeinrichtung (106) zur Messung des erzeugten Brennstoffzellenstroms vorgesehen ist, und dass eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung oder Erfassung mindestens eines der Parameter Temperatur (T), stöchiometrischer Faktor (λ_A) und Betriebsdruck (P) vorgesehen ist, wobei die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (102) aus dem gemessenen Brennstoffzellenstrom einen Stromanteil (V_I) des Brennstoffverbrauchs (V_ges) ermittelt und aus den weiteren ermittelten Daten über eine vorher bestimmte Kalibrierungsfunktion ein Übertrittsanteil (V_U) des Brennstoffverbrauchs (V_ges) bezüglich des Brennstoffübertritts von der Anodenseite zur Kathodenseite ermittelt und die Brennstoffzuführung in den Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung in Abhängigkeit von dem ermittelten Brennstoffverbrauch regelt.
Direktoxidations-Brennstoffzellensytem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (102) an eine Brennstoff-Dosierungseinrichtung (100) gekoppelt ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) und der Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) derart fluidwirksam miteinander verbunden sind, dass gesteuert über eine Füllstandsdifferenz Wasser von dem Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) zu dem Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) führbar ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) an mindestens einen kathodenseitigen Wasserabscheider (36; 38; 40) gekoppelt ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) ein Überlauf (50) zugeordnet ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Überschusswasser-Aufnahmeraum (56), welcher mit dem Überlauf (50) verbunden ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass über den Überlauf (50) überschüssiges Wasser aus einem Wasserkreislauf entfernbar ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschusswasser-Aufnahmeraum (56) und der Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) und/oder der Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) in einem gemeinsamen Tank (68) angeordnet sind.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) und der Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) in einem gemeinsamen Tank (68) angeordnet sind.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) eingangsseitig an eine Brennstoffquelle (98) gekoppelt ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosierungseinrichtung (100) zur dosierten Brennstoffzuführung zu dem Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) vorgesehen ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) ausgangsseitig an die Anodeneinrichtung (22) gekoppelt ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) und der Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) so miteinander verbunden sind, dass kein Fluid vom Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) in den Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) übertreten kann.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) und der Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) über ein oder mehrere Ventile (110) fluidwirksam verbunden sind.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (110) ein Rückschlagventil ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (110) an oder in der Nähe eines Bodens (70) des Wasseraufnahmeraums (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) angeordnet ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (110) an oder in der Nähe eines Bodens (72) des Flüssigkeitsaufnahmeraums (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) angeordnet ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (110) so eingestellt ist, dass es bei Erreichen einer bestimmten Differenzdruckschwelle auf Durchlass schaltet.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserrücklauf von der Kathodeneinrichtung (24) zu der Anodeneinrichtung (22) über einen Füllstandsausgleich zwischen dem Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) und dem Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) gebildet ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang der Anodeneinrichtung (22) direkt mit dem Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) verbunden ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anodenabgas-Abscheidekreis (82) an den Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) gekoppelt ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flüssigkeitsaufnahmeraum (66) der Wasser-Brennstoff-Zuführungseinrichtung (62) ein Ausgang zugeordnet ist, über den flüssigkeitsreiches Anodengas abführbar ist, und ein Eingang (86) zugeordnet ist, über welchen anodenabgasarme Flüssigkeit einführbar ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingang (84) und dem Ausgang (86) ein Anodenabgas-Abscheider (88) angeordnet ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodengas-Abscheider (88) an eine Oxidatorzuführungseinrichtung (90) zu der Kathodeneinrichtung (24) gekoppelt ist und/oder der Anodengas-Abscheider (88) und eine Kondensationseinrichtung (32) zur Kondensation von Wasser aus Kathodenabgas eine gemeinsame Kühleinrichtung (34) aufweisen.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kondensationseinrichtung (32) zur Kondensation von Wasser aus Kathodenabgas.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationseinrichtung (32) ein Wasserabscheider (38) vorgeschaltet und/oder ein Wasserabscheider (40) nachgeschaltet ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserausgang der Kondensationseinrichtung (32) mit dem Wasseraufnahmeraum (46) der Wasserabführungseinrichtung (30) verbunden ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationseinrichtung (32) eine Kühleinrichtung (34) zugeordnet ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (34) mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (102) verbunden ist, so dass eine Kühlleistung durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (102) steuerbar und/oder regelbar ist.
Direktoxidations-Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches ein Direktmethanol-Brennstoffzellensystem oder ein Direktethanol-Brennstoffzellensystem ist.
Verfahren zum Betrieb eines Direktoxidations-Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle und mit einer Anodeneinrichtung und einer Kathodeneinrichtung, wobei der Anodeneinrichtung Brennstoff und der Kathodeneinrichtung Oxidator zugeführt wird, und bei welcher ein Brennstoffübertritt von der Anodenseite zur Kathodenseite auftreten kann, umfassend: – Zuführung von von der Kathodeneinrichtung abgeführtem Wasser in flüssiger Form in einen kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum; – Zuführung eines Brennstoff-Wasser-Gemischs aus einem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum zu der Anodeneinrichtung, wobei der kathodenseitige Wasseraufnahmeraum und der anodenseitige Flüssigkeitsaufnahmeraum miteinander verbunden sind oder werden; – Steuerung des Wasserübergangs von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum in den anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum durch eine Füllstandsdifferenz; – Messung des von dem Direktoxidations-Brennstoffzellensystem erzeugten Stroms; – Berechnung des Brennstoffverbrauchs als Summe des erzeugten Stroms und eines Übertrittsanteils mittels einer vorher bestimmten Kalibrierungsfunktion; und – Regelung der Brennstoffzuführung gemäß dem ermittelten Brennstoffverbrauch durch Regelung der Menge des dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum zugeführten Brennstoffs.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge an Brennstoff zudosiert wird, welche dem ermittelten Brennstoffverbrauch entspricht.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkonzentration für das anodenseitig zugeführte Brennstoff-Wassergemisch eine Regelgröße während des Betriebsmodus des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems ist.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkonzentration nicht gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodenseitige Wasseraufnahmeraum und der anodenseitige Flüssigkeitsaufnahmeraum über ein oder mehrere Rückschlagventile verbunden sind oder werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum und dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum ein Füllstandsausgleich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstandsausgleich automatisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung von Wasser von dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum in den anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum gemäß einem Differenzdruck zwischen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum und dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass kathodenseitig überschüssiges Wasser über einen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum zugeordneten Überlauf abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssiges Wasser über den Überlauf in einen Überschuss-Wasser-Aufnahmeraum geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass von der Kathodeneinrichtung zu der Anodeneinrichtung Wasser über die Verbindung zwischen dem kathodenseitigen Wasseraufnahmeraum und dem anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum rückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff der Anode in Lösung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Strom zeitaufgelöst während des Betriebs des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungsfunktion für Brennstoffübertritt für einen Brennstoffzellenblock oder einen Typus von Brennstoffzellenblöcken individuell ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass Kalibrierungsdaten für die Kalibrierungsfunktion während eines Kalibrierungsbetriebs des Direktoxidations-Brennstoffzellensystems ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass Kalibrierungsdaten für die Kalibrierungsfunktion mittels einem oder mehreren Sensoren ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass Kalibrierungsdaten für die Kalibrierungsfunktion in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Parameter Brennstoffkonzentration, Temperatur, erzeugter Strom, stöchiometrischer Faktor, Betriebsdruck ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter Temperatur und/oder Brennstoffkonzentration und/oder erzeugter Strom und/oder stöchiometrischer Faktor und/oder Betriebsdruck zur Ermittlung der Kalibrierungsdaten variiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass Kalibrierungsdaten der Kalibrierungsfunktion in Form von Brennstoffübertrittsmengen pro Zeiteinheit gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Übertrittsanteils am Brennstoffverbrauch die Temperatur und/oder der erzeugte Strom und/oder der stöchiometrische Faktor und/oder die Brennstoffkonzentration und/oder Betriebsdruck ermittelt oder erfasst werden und über die Kalibrierungsfunktion der zugehörige Übertrittsanteil am Brennstoffverbrauch bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter zeitaufgelöst ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Kathodenabgas flüssiges Wasser auskondensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser im Überschuss auskondensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 52 oder 53, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlleistung zur Auskondensation des Wassers gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass Anodenabgas in den anodenseitigen Flüssigkeitsaufnahmeraum geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsaufnahmeraum in einem Anodenabgas in einen Anodenabgas-Abscheidekreis geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff ein Alkohol ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 57, dadurch gekennzeichnet, dass das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem ein Direktmethanolbrennstoffzellensystem ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 58, dadurch gekennzeichnet, dass das Direktoxidations-Brennstoffzellensystem ein Direktethanolbrennstoffzellensystem ist.