DE19745774C2 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit Entgasungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle.

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 Oxida­ tionsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen pas­ sieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasser­ stoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektro­ nen 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 einer PEM-Brennstoffzelle mittels eines Katalysators wie Platin oxidiert werden kann und so Wasserstoff freigesetzt 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 01 37 327 A2 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 abgeleitet werden. Hieraus ist nicht bekannt, in der Flüssigkeit 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 Brennstoffzellen 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 leistungsfähigen Betriebes einer Brennstoffzelle.

Die Aufgabe wird durch ein anspruchsgemäßes Verfahren gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Neben der eingangs genannten Brennstoffzelle weist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine Entgasungseinrichtung für den Brennstoff auf, der der Brennstoffzelle zugeleitet wird. Die Entgasungseinrichtung ist beispielsweise innerhalb einer Kreislaufführung des Brennstoffs angeordnet.

Die anspruchsgemäße Entgasungseinrichtung umfaßt Mit­ tel, die gelöste Gase aus dem flüssigen Brennstoff her­ auslösen und entsorgen.

Als Mittel zum Herauslösen von Gas aus dem flüssigen Brennstoff kann daher eine Ultraschallquelle vorgesehen sein. Diese beschallt beispielsweise eine Kammer, durch die der im Kreislauf geführte Brennstoff geleitet wird. Der Ultraschall bewirkt, daß im beschallten Brennstoff gelöstes Gas aus der Flüssigkeit austritt.

Gas wird allgemein aus einer Flüssigkeit herausgelöst, indem eine unter Druck befindliche Flüssigkeit schlagartig entspannt wird. Flüssigkeiten lösen unter Druck eine große Gasmenge. Bei plötzlicher Entspannung setzen diese Flüssigkeiten die Gase in Form von Bläs­ chen frei. Äquivalent zur Ultraschallquelle ist also jedes Mittel, welches eine unter Druck befindliche Flüssigkeit schlagartig entspannt und so gelöste Gase aus der Flüssigkeit herauslöst.

Die herausgelösten Gase können zum Beispiel äquivalent zum anspruchsgemäßen Verfahren in der Kammer zurückgehalten und so entsorgt werden. Die Kammer weist dann zweckmäßigerweise Mittel auf, mit denen das sich in der Kammer ansammelnde Gas bei Bedarf abgelassen bzw. abtransportiert werden kann. Da sich der entgaste Brennstoff bereits in einer Kammer befindet, ist die Zuleitung des entgasten Brennstoffs in eine weitere Kammer entbehrlich.

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, O₂) genannten Leistungsverluste werden so vermieden.

Alternativ kann eine Ultraschallquelle in Form eines Fingers ausgestaltet sein, der z. B. in die Brennstoff­ zelle hineinreicht. Die Brennstoffzelle wird dann un­ mittelbar beschallt. Bei geeigneter Anordnung wird das Gas herausgelöst und entweicht, bevor es sich leistungsvermindernd auswirken kann.

Verfahrensgemäß wird der aus dem Entgasungsmittel austretende Brennstoff einem Behälter über eine (zuführende) Leitung zugeführt. Dieser Behälter ist so angeordnet, daß er nach oben (entgegengesetzt zur Schwerkraft) die zuführende Leitung überragt. Das aus dem Brennstoff herausgelöste Gas sammelt sich dann im oberen Teil des Behälters und kann hieraus bei Bedarf über einen geeignet vorgesehenen Auslaß entfernt werden. Der Behälter ist während des Betriebes vorteil­ haft stets so mit Brennstoff gefüllt, daß sich der Flüssigkeitspegel stets oberhalb der zuführenden Lei­ tung befindet. So wird verhindert, daß der in den Be­ hälter eingeführte Brennstoff mit dem Gas verwirbelt und sich das Gas wieder löst.

Vorteilhaft ist der Behälter ferner so ausgestaltet, daß der Brennstoff im Behälter nach unten entgegenge­ setzt zur Schwerkraft weitergeleitet wird. So wird sichergestellt, daß das herausgelöste Gas im Behälter genügend 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.

Anstelle der Zuführung in einen Behälter wird der Tank, der dann den Behälter darstellt, unmittelbar mit Ultraschall beschallt. Dies kann durch eine fingerartige Ultraschallquelle bewirkt werden, die unmittelbar in den Tank hineinreicht (äquivalente Durchführung des Verfahrens).

Insbesondere in mobilen Vorrichtungen (wie zum Beispiel in einem Auto) kann die anspruchsgemäße Brennstoffzelle zusammen mit dem Tank zum Einsatz kommen.

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

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennstoffzelle 1, die über Leitungen mit einem Tank 2 verbunden ist. Die Lei­ tungen werden durch Pfeile angedeutet. Eine Pumpe 3 ist innerhalb der Leitung angeordnet, die vom Tank 2 Brenn­ stoff zur Brennstoffzelle 1 leitet. Die Pumpe 3 pumpt den flüssigen Brennstoff (zum Beispiel Methanol) zur Brennstoffzelle 1. Überschüssiges Methanol tritt zusam­ men mit gelöstem CO₂ und Wasser aus der Brennstoffzelle wieder aus und gelangt über eine weitere Leitung zurück zum Tank 3.

Eine Entgasungseinrichtung 4 ist innerhalb der Leitung angeordnet, die vom Tank Brennstoff zur Brennstoffzelle leitet. Die Entgasungseinrichtung 4 umfaßt eine Ultra­ schallquelle. Diese beschallt eine Kammer, durch die der im Kreislauf geführte Brennstoff geleitet wird. Der Ultraschall bewirkt, daß in der Kammer im Brennstoff gelöstes Gas aus dem Brennstoff entweicht. Das heraus­ gelöste Gas verbleibt in der Kammer.

Ferner weist die in der Fig. 1 dargestellte Vorrich­ tung einen Abscheider 6 für CO₂ auf. Der Abscheider 6 ist oberhalb des Tanks 2 angeordnet und mit diesem über eine Leitung verbunden. Innerhalb des Tanks 2 auftre­ tendes, nicht in der Flüssigkeit gelöstes Gas kann sich im Abscheider 6 sammeln.

Fig. 2 zeigt eine Brennstoffzelle 1, in die eine fingerartige Ultraschallquelle 5 hineinreicht. Die fingerartige Ultraschallquelle 5 ist hier Teil der an­ spruchsgemäßen Entgasungseinrichtung. Der Brennstoff wird unterhalb der fingerartigen Ultraschallquelle 5 über eine pfeilförmig dargestellte Zuleitung der Brenn­ stoffzelle zugeführt. Mittels der fingerartigen Ultra­ schallquelle 5 wird der Brennstoff mit Eintritt in die Brennstoffzelle entgast. Das herausgelöste Gas entweicht nach oben durch den pfeilförmig dargestellten Auslaß. Der entgaste Brennstoff wird der Anode der Brennstoffzelle 1 zugeführt.

Fig. 3 zeigt eine Brennstoffzelle 1, die über pfeil­ förmig dargestellte Leitungen mit einer Pumpe 3 und einem Tank 2 verbunden ist. In den Tank 2 ragt eine fingerartige Ultraschallquelle 5 hinein. Der Tank 2 überragt nach oben (entgegengesetzt zur Schwerkraft) die entsprechende Zuleitung. Während des Betriebes ist darauf zu achten, daß der Tank stets mit Brennstoff wenigstens bis zur Füllstandshöhe 6 gefüllt ist. Die Füllstandshöhe 6 befindet sich oberhalb der pfeilförmig dargestellten Leitung, die von der Pumpe 3 in den Tank 2 hineinführt. So wird sichergestellt, daß flüssiger Brennstoff stets unterhalb des Flüssigkeitspegels der im Tank 2 befindlichen Flüssigkeit zugeführt wird. Innerhalb des Tanks 2, der insbesondere länglich ausgestaltet ist, wird der Brennstoff nach unten abgeleitet und gelangt so weiter zur Brennstoffzelle 1. Unter länglicher Ausgestaltung ist zu verstehen, daß der Tank mehrfach hoch als breit oder tief ist.

Bei der in der Fig. 3 gezeigten Vorrichtung stellen Pumpe 3, fingerartige Ultraschallquelle 5 und die be­ sondere Ausgestaltung des Tanks 2 die anspruchsgemäße Entgasungseinrichtung dar.

Claims (2)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit folgenden Schritten:

• a) im flüssigen Brennstoff befindliches Gas wird durch Ultraschall herausgelöst,
• b) der flüssige Brennstoff mit dem herausgelösten Gas wird einem Behälter zugeleitet,
• c) die Zuleitung des flüssigen Brennstoffs mit dem herausgelösten Gas zum Behälter erfolgt unter­ halb des Flüssigkeitspegels der im Behälter be­ findlichen Flüssigkeit,
• d) der in den Behälter hineingeleitete Brennstoff wird vom Behälter zur Brennstoffzelle weiterge­ leitet.

2. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, nach vorhergehendem Anspruch, bei dem der flüssige Brennstoff mit dem herausgelösten Gas in einem Behälter in Richtung der Schwerkraft geleitet wird.