DE19745773C2 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit Entgasungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit Entgasungseinrichtung.

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

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck­ schrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrenn­ stoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperatur­ brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidati­ onsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen pas­ sieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der An­ odenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80°C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels ei­ nes Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elek­ trische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer Leistungen seriell miteinander durch ver­ bindende Elemente zu einem sogenannten Brennstoffzel­ lenstapel verbunden. Ein Beispiel für ein solches ver­ bindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 be­ kannte bipolare Platte dar.

Als Brennstoff kann unter anderem Methan oder Methanol vorgesehen werden. Die genannten Brennstoffe werden durch Reformierung oder Oxidation u. a. in Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas umgewandelt.

Aus der Druckschrift DE 195 19 847 C1 ist bekannt, Brennstoff wie Methan intern, das heißt unmittelbar an der Anode einer SOFC-Brennstoffzelle zu reformieren. Der deutschen Patentanmeldung DE 196 46 354 A1 ist zu entnehmen, daß Brennstoff wie Methanol an der Anode ei­ ner PEM-Brennstoffzelle mittels eines Katalysators wie Platin oxidiert werden kann und so Wasserstoff freige­ setzt wird.

Es sind Brennstoffzellen bekannt, die mit einem Tank für Brennstoff verbunden sind. Während des Betriebes befindet sich im Tank flüssiger Brennstoff, also zum Beispiel Methanol. Der Brennstoff wird über Leitungen dem Anodenraum (Raum, in dem sich die Anode befindet) der Brennstoffzelle zugeführt. Durch Reformierung oder Oxidation wird benötigter Wasserstoff freigesetzt. Da­ neben entstehen Gase wie zum Beispiel CO₂ sowie (in Brennstoffzellen mit protonenleitenden Elektrolyten) Wasser. Ist der Brennstoff überstöchiometrisch der Brennstoffzelle zugeführt worden, so wird der Brenn­ stoff nicht vollständig umgesetzt. Aus dem Anodenraum tritt daher flüssiger Brennstoff aus, in dem produ­ zierte Gase wie CO₂ gelöst sind. Dieser abgereicherte flüssige Brennstoff wird in den Tank über Leitungen zu­ rücktransportiert. Tank, Leitungen und Brennstoffzelle bilden eine Kreislaufführung für den Brennstoff.

Eine innerhalb der Kreislaufführung angeordnete Pumpe sorgt für die Umwälzung des Brennstoffs vom Tank zur Brennstoffzelle und zurück.

Nachteilhaft befinden sich Gase wie CO₂ nach einer Um­ wälzung im flüssigen Brennstoff. Mit zunehmender Kon­ zentration der gelösten Gase im flüssigen Brennstoff können Gasbläschen im Brennstoff auftreten. Gasbläschen verstopfen das Porensystem der Anode. Die Leistung der Brennstoffzelle vermindert sich hierdurch.

Aus "Konstantin Ledjeff, Brennstoffzellen, Entwicklung, Technologie, Anwendungen, C. F. Müller-Verlag (1995)" ist bekannt, oberhalb des Tanks einen Kohlendioxidab­ scheider anzuordnen. Dieser besteht aus einem Behälter, der über eine Leitung mit dem Tank verbunden ist. Tritt Gas aus dem flüssigen Brennstoff aus oder wird nicht im Brennstoff gelöstes Gas in den Tank hineintranspor­ tiert, so steigt es empor und gelangt so in den Behäl­ ter des Kohlendioxidabscheiders.

Aus der Druckschrift EP 0137327 ist ebenfalls bekannt, das an einer Elektrode erzeugte Gas von flüssigem Methanol abzutrennen. In einer Brennstoffzelle werden oberhalb des Flüssigkeitsspiegels Löcher vorgesehen, über die Gase getrennt vom flüssigen Brennstoff abge­ leitet werden. Hieraus ist nicht bekannt, in der Flüs­ sigkeit gelöste Gase herauszulösen und abzuleiten.

Wird der Tank an der Luft, also ohne besondere Schutz­ gasatmosphäre betankt, so wird der Brennstoff mit Luft und folglich mit Sauerstoff angereichert. Dadurch ent­ steht in der Brennstoffzelle ein Mischpotential, das die Zellspannung absenkt und dadurch eine Leistungsmin­ derung verursacht.

Es sind aus "J. of power sources, 1995, S. 87-91, vapour feed direct methanol fuel cell with proton exchange membrane electrolyte, A. C. Shukla et al." Vorrichtun­ gen bekannt, die mit Gas betrieben werden und die aus einem Tank, einer Einspritzpumpe, einem Verdampfer, der Brennstoffzelle und einem Kondensator bestehen. Bei diesen Vorrichtungen tritt das im Zusammenhang mit dem gelösten CO₂ genannte Problem zwar nicht auf, da diese Brennstoffzelle mit gasförmigen Brennstoff betrieben werden. Es kann jedoch der mit der Sauerstoffanreiche­ rung verbundene Nachteil auftreten.

Probleme der vorgenannten Art hängen grundsätzlich nicht von einer Kreislaufführung des Brennstoffs ab.

Aus der Druckschrift DE 39 18 190 C2 ist bekannt, aus dem Produktwasser einer Brennstoffzelle blasenförmigen oder gelösten Wasserstoff zu entfernen. Auf diese Weise soll Trinkwasser bereitgestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfah­ rens für einen leistungsfähig Betrieb einer Brennstoff­ zelle.

Die Aufgabe wird durch das anspruchsgemäße Verfahren gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Bei dem anspruchsgemäßen Verfahren wird Gas aus dem Brennstoff herausgelöst und vom Brennstoff getrennt. Der in die Brennstoffzelle eintretende Brennstoff weist keine gelösten Gase mehr auf. Es entfallen damit die eingangs genannten leistungsvermindernden Wirkungen. Der Wirkungsgrad wird also verbessert.

Neben der eingangs genannten Brennstoffzelle weist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine Entga­ sungseinrichtung für den der Brennstoffzelle zugeleite­ ten Brennstoff auf. Die Entgasungseinrichtung ist bei­ spielsweise innerhalb einer Kreislaufführung des Brenn­ stoffs angeordnet.

Die Entgasungseinrichtung umfaßt Mittel, die gelöste Gase aus dem flüssigen Brennstoff herauslösen und ent­ sorgen.

Gas wird aus einer Flüssigkeit herausgelöst, indem eine unter Druck befindliche Flüssigkeit schlagartig ent­ spannt wird. Flüssigkeiten lösen unter Druck eine große Gasmenge. Bei plötzlicher Entspannung setzen diese Flüssigkeiten die Gase in Form von Bläschen frei.

Die herausgelösten Gase können zum Beispiel einer Kam­ mer zugeführt und so entsorgt werden. Die Kammer weist zweckmäßigerweise Mittel auf, mit denen sich in der Kammer ansammelndes Gas bei Bedarf abgelassen werden kann.

Die Entgasungseinrichtung ist beispielsweise zwischen dem Tank und der Brennstoffzelle innerhalb der Leitung angeordnet, in der der Brennstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird.

Der Brennstoff gelangt in entgaster Form zur Brenn­ stoffzelle. Die im Zusammenhang mit dem Gas (CO₂, C₂) genannten Leistungsverluste werden so vermieden.

Das Mittel, welches gelöstes Gas aus dem Brennstoff herauslöst, umfaßt eine Düse und eine Pumpe. Die Düse kann in Form einer Verengung einer Leitung ausgestaltet sein.

Der Brennstoff wird mittels der Pumpe durch die Düse gepumpt. So wird der Brennstoff zunächst unter Druck gesetzt und dann nach Austritt aus der Düse schlagartig entspannt. Als Folge der Entspannung wird Gas aus der Flüssigkeit herausgelöst. Für diesen Prozeß wird nur wenig Energie benötigt. In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, daß regelmäßig die Pumpe ohnehin benötigt wird, um Brennstoff in die Brennstoffzelle zu pumpen. Diesbezüglich ist also kein Mehraufwand erforderlich.

Der entgaste Brennstoff wird der Brennstoffzelle zuge­ führt.

Der Brennstoff mit dem herausgelösten Gas wird einem Behälter über eine (zuführende) Leitung zugeführt. Die­ ser Behälter ist so angeordnet, daß er nach oben (ent­ gegengesetzt zur Schwerkraft) die zuführende Leitung überragt. Die in den Behälter hineinführende Leitung mündet also seitlich in diesen ein. Das aus dem Brenn­ stoff herausgelöste Gas sammelt sich dann im oberen Teil des Behälters und kann hieraus bei Bedarf über ei­ nen geeignet vorgesehenen Auslaß entfernt werden. Der Behälter ist während des Betriebes vorteilhaft stets so mit Brennstoff gefüllt, daß sich der Flüssigkeitspegel stets oberhalb der zuführenden Leitung befindet. So wird verhindert, daß der in den Behälter eingeführte Brennstoff mit dem Gas verwirbelt und sich das Gas wie­ der löst.

Im vorgenannten Behälter wird der Brennstoff nach unten in Richtung der Schwerkraft weitergeleitet. So wird si­ chergestellt, daß das herausgelöste Gas im Behälter ge­ nügend lange verweilt, emporsteigt und so abgetrennt wird.

Vom Behälter wird der Brennstoff dann der Brennstoff­ zelle zugeleitet.

Vorteilhaft stellt der vorgenannte Behälter zugleich einen Tank für den Brennstoff dar. Dieser Aufbau mini­ miert den apparativen Aufwand.

Insbesondere in mobilen Vorrichtungen, wie zum Beispiel in einem Auto, kann das anspruchsgemäße Verfahren durchgeführt werden.

Von der Entgasungseinrichtung ist der bekannte CO₂- Abscheider zu unterscheiden. Der CO₂-Abscheider umfaßt nämlich kein Mittel, mit dem gelöstes Gas aus dem Brennstoff herausgelöst wird.

Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 1, die über pfeil­ förmig dargestellte Leitungen mit einer Pumpe 3, einer Düse 4 und einem Tank 2 verbunden ist. Der Tank 2 über­ ragt nach oben (entgegengesetzt zur Schwerkraft) die entsprechende Zuleitung. Während des Betriebes ist dar­ auf zu achten, daß der Tank stets mit Brennstoff bis zur Füllstandshöhe 5 gefüllt ist. Die Füllstandshöhe 5 befindet sich oberhalb der pfeilförmig dargestellten Leitung, die von der Düse 4 in den Tank hineinführt. Die Leitung, die von der Düse 4 in den Tank hinein­ führt, mündet seitlich in den Tank ein. Innerhalb des Tanks, der insbesondere länglich ausgestaltet ist, wird der Brennstoff nach unten abgeleitet und gelangt so weiter zur Brennstoffzelle 1. Unter länglicher Ausge­ staltung ist zu verstehen, daß die Höhe des Tankes ein Mehrfaches seiner Breite oder Tiefe beträgt.

Neuer Brennstoff erfolgt über eine Zuleitung in die Leitung hinein, die von der Brennstoffzelle 1 zur Pumpe 3 führt. So wird sichergestellt, daß neu zugeführter Brennstoff entgast wird, bevor dieser in die Brenn­ stoffzelle 1 gelangt.

Claims (2)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit folgenden Schritten:

• a) im flüssigen Brennstoff befindliches Gas wird herausgelöst, indem der Brennstoff mit Hilfe ei­ ner Pumpe und einer Düse schlagartig entspannt wird,
• b) der flüssige Brennstoff mit dem herausgelösten Gas wird in einem Behälter in Richtung der Schwerkraft geleitet,
• c) der im Behälter in Richtung der Schwerkraft ge­ leitete Brennstoff wird zur Brennstoffzelle wei­ tergeleitet,
• d) der aus der Brennstoffzelle austretende gashal­ tige Brennstoff wird der Pumpe und der Düse zu­ geführt.

2. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, nach vorhergehendem Anspruch, bei dem die Zulei­ tung des flüssigen Brennstoffs mit dem herausgelö­ sten Gas zum Behälter unterhalb des Flüssigkeitsp­ egels der im Behälter befindlichen Flüssigkeit er­ folgt.