DE19850720A1

DE19850720A1 - Verfahren zur Regelung der Brennstoffkonzentration in einem Alkohol oder Ether als Brennstoff und Wasser enthaltenden Brennstoffgemisch einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE19850720A1
Application number: DE19850720A
Authority: DE
Inventors: Dieter Meissner; Hans-Friedrich Oetjen; Juergen Mergel
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1998-11-03
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: AU1768900A; CA2348861A1; WO2000026978A3; EP1145350A2; EP1145350B1; AU756379B2; DE59903884D1; DE19850720C2; ATE230163T1; WO2000026978A2

Abstract

Brennstoffzellen, in denen ein Alkohol oder Ether als Brennstoff direkt umgesetzt wird, arbeiten mit einem Brennstoffgemisch aus Brennstoff und Wasser, in dem der Brennstoff in der Regel eine Konzentration zwischen 1 Vol.-% und 5 Vol.-% aufweist. Es ist angestrebt, eine möglichst konstante Brennstoffkonzentration gewährleisten zu können. In dem vorgenannten Konzentrationsbereich ist jedoch eine hinreichend genaue und/oder schnelle Methode zur direkten Konzentrationsmessung nicht bekannt. DOLLAR A Die Brennstoffkonzentration wird mit einer speziellen Sonde (13) auf einen konstanten Wert geregelt, wobei die Sonde (13) eine Meßkammer (16) und eine die Meßkammer (16) verschließende Membran (14) aufweist. Durch die Membran (14) permetieren der Brennstoff und das Wasser, wobei die Membran (14) derart selektiv permeabel ist, daß in der Meßkammer (16) ein Meßgemisch entsteht, in dem die Alkoholkonzentration weniger als 1 Vol.-% oder mehr als 5 Vol.-% beträgt. Für diese Konzentrationsbereiche können geeignete Brennstoffsensoren (17) eingesetzt werden. DOLLAR A Betrieb von Alkohol oder Ether als Brennstoff sowie Wasser verwendete Brennstoffzellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Brennstoffkonzentration in einer Alkohol oder Ether als Brennstoff verwendenden Brennstoffzelle sowie ein Brennstoffzellensystem, wel ches umfaßt

- mindestens eine mit einem Alkohol oder Ether als Brennstoff und Wasser enthaltenden Brennstoffgemisch zu betreibende Brennstoffzelle,
- mindestens einen mit jeweils einem steuerbaren Brennstoffeinlaß verbundenen Mischraum und
- mindestens eine, den mindestens einen Mischraum jeweils mit der mindestens einen Brenn stoffzelle verbindenden Brennstoffgemischzuleitung.

Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art sind zum Zeitpunkt dieser Anmeldung be reits mehr als 30 Jahre bekannt (s. z. B. W. Vielstich; "Brennstoffelemente" Verlag Chemie, Weinheim 1965, Seiten 73-93 und L. Oniciu; "Fuel Cells", Abacus Press, Kent, 1976, Seiten 93-98). Einer Brennstoffzelle wird der Alkohol, z. B. Methanol, als Brennstoff mit Wasser zu einem Brennstoffgemisch vermengt zugeführt und dort unmittelbar in elektrische Energie umgesetzt. Alkoholgehalte zwischen 1 Vol% und 5 Vol% im Brennstoffgemisch haben sich für den Betrieb einer solchen Brennstoffzelle als besonders günstig erwiesen. Ein Problem beim Betrieb derarti ger Brennstoffzellen ist es, die Alkoholkonzentration des Brennstoffgemisches möglichst kon stant zu halten. Ein Verfahren zur Regelung der Alkoholkonzentration des Brennstoffgemischs einer solchen Brennstoffzelle ist nach Kenntnis der Anmelderin im Stand der Technik nicht rea lisiert, da keine hinreichend schnellen und/oder genauen Konzentrationsmeßverfahren für den vorgenannten Bereich bekannt sind. Die vorgenannte Problematik gilt in gleicher Weise für Al kohol wie für Ether als Brennstoff verwendende Brennstoffzellen.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, erstmals ein praktikables Verfahren der ein gangs genannten Art sowie ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes Brennstoffzellen system bereitzustellen.

Hinsichtlich eines Verfahrens zur Regelung der Brennstoffkonzentration in einem einen Alkohol oder Ether und Wasser enthaltenden Brennstoffgemisch einer Brennstoffzelle wird diese Auf gabe dadurch gelöst, daß

- der Brennstoff über einen steuerbaren Brennstoffeinlaß (11) einem Mischraum (12) zuge führt wird, von wo aus das Brennstoffgemisch über eine Brennstoffgemischzuleitung (4) zur Brennstoffzelle (1) fließt,
- das Brennstoffgemisch in Flußrichtung hinter dem Brennstoffeinlaß (11) einer eine Meß kammer (16) begrenzende, für Wasser und den Brennstoff selektiv permeable Membran (14) zugeführt wird,
- in der Meßkammer (16) ein flüssiges oder gasförmiges Meßgemisch hergestellt wird mit einer von der aus dem Brennstoffgemisch in die Meßkammer (16) pro Zeiteinheit permetierten Brennstoffmenge abhängigen Brennstoffkonzentration von jedenfalls weniger als 1 Vol% oder mehr als 5 Vol%,
- die Brennstoffkonzentration im Meßgemisch festgestellt wird und
- der Brennstoffeinlaß (11) in Abhängigkeit von der Brennstoffkonzentration im Meßge misch gesteuert wird.

Somit wird die Regelung dadurch erreicht, daß nicht unmittelbar die Brennstoffkonzentration in dem Brennstoffgemisch sondern in einem Meßgemisch festgestellt wird, in dem die Brennstoff konzentrationen in einem Bereich liegt, der mit hinreichender Genauigkeit und Schnelligkeit mit bekannten Sensoren meßbar ist. Die Brennstoffkonzentration im Meßgemisch ist unmittelbar abhängig von der Brennstoffkonzentration im Brennstoffgemisch, so daß dessen Regelung durch Messungen des Brennstoffgehalts im Meßgemisch möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt werden, daß zur Herstellung des Meß gemischs in der Meßkammer eine Trägerflüssigkeit bzw. ein Trägergas zur Verdünnung und/oder Entfernung des permetierten Brennstoffs eingesetzt wird. Der permetierte Brennstoff kann auch an Elektroden in der Meßkammer verbraucht werden, so daß die Entfernung des Brennstoffs durch die Trägerflüssigkeit oder das Trägergas nicht zwingend ist. Durch geeignete Membranen können auch ohne Trägerflüssigkeit oder Trägergas die angegebenen Brennstoff konzentrationen erreicht werden: So kann die Membran für den Brennstoff um mehr als eine Größenordnung durchlässiger sein als für Wasser, so daß sich in der Meßkammer aus dem per metierten Brennstoff und dem permetierten Wasser ein Meßgemisch mit einer Brennstoffkon zentration von weniger als 1 Vol% bis hinab in dem ppm-Bereich bilden kann. Ist umgekehrt die Durchlässigkeit der Membran für Wasser höher als für den Brennstoff, können sich Meßgemi sche bilden, in denen die Brennstoffkonzentration oberhalb 5, bevorzugt oberhalb 10Vol% liegt. Hierfür geeignete Membranen sind bekannt (siehe z. B. H. Strahtmann; "Membrans and Mem brane Separation processes", B. Elvers, S. Hawkins, G. Schulz (Ed.); "Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry", Vol. A 16, VCH, Weinheim, 1990, Seiten 187-263).

Das erfindungsgemäße kann auch so ausgeführt werden, daß die Brennstoffkonzentration des Meßgemischs im Falle von Werten oberhalb 10 bzw. 5 Vol% mittels eines Flüssigkeitssensors bestimmt wird.

Das erfindungsgemäße kann auch so ausgeführt werden, daß die Brennstoffkonzentration des Meßgemischs mittels Dichte- oder Viskositätsmessungen bestimmt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß die Brennstoffkonzen tration des Meßgemischs mittels optischer Verfahren, z. B. mittels Infrarotabsorbtion, bestimmt wird. Hierfür geeignete optische Sensoren, insbesondere für die Auswertung der CH-Schwin gungen des Brennstoffs, sind ebenfalls bekannt (siehe z. B. A. Brittain et al. (Ed.) "Optically Ba sed Methods for Process Analysis", S. PIE Proceedings Vol. 1681, Somerset, NJ, USA, 1992).

Das erfindungsgemäße kann auch so ausgeführt werden, daß die Brennstoffkonzentration des Meßgemischs im Falle von Werten unterhalb 1,0 bzw. 0,1 Vol% mittels eines Gassensors be stimmt wird. Ein derartiger Gassensor weist ein Halbleiterelement auf, das seine elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konzentration des Brennstoffs ändert. Ein solcher Gas sensor sowie sein Einsatz in einer durch eine Siliconmembran begrenzten Meßkammer ist im Zusammenhang mit Bioreaktoren ebenfalls bekannt (siehe FMC Handbuch der Biotechnologie Kempe GmbH, Berlin). Weiter ist hier die Bestimmung durch Erfassung der Leitfähigkeit sowie durch Infrarotabsorbtion möglich.

Bei einem mit Alkohol oder Ether als Brennstoff und Wasser betriebenen Brennstoffzellensy stem der eingangs genannten Art wird die obengenannte Aufgabe gelöst durch mindestens eine in Fließrichtung des Brennstoffgemisches hinter dem Brennstoffeinlaß angeordnete Meßsonde, wobei jede Meßsonde

a) eine Meßkammer,
b) eine die Meßkammer begrenzende, mit dem Brennstoffgemisch in Kontakt stehende und für Wasser und den Brennstoff selektiv permeable Membran zur Erzeugung ei nes flüssigen oder gasförmigen Meßgemisches in der Meßkammer mit einer von der aus dem Brennstoffgemisch in die Meßkammer pro Zeiteinheit permetierten Brenn stoffmenge abhängigen Brennstoffkonzentration von jedenfalls weniger als 1 Vol% oder mehr als 5 Vol% und
c) einen Sensor zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration im Meßgemisch aufweist,

sowie durch Mittel zur Steuerung des Brennstoffeinlasses in Abhängigkeit von der Brennstoff konzentration im Meßgemisch.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß als Sensor ein Gas-, Flüssigkeits-, Infrarotabsorptions-, Dichtemessungs-, optischer oder Leitfähigkeitmessungs-Sensor vorgesehen ist.

Im Folgenden ist beispielhaft für die erfindungsgemäßen Verfahren sowie die erfindungsge mäßen Brennstoffzellensysteme eine Ausführungsform bzw. eine Ausbildungsform im Zusam menhang mit der Methanolverbrennung beschrieben.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 den Aufbau eines Methanol als Brennstoff verwendendes Brennstoffzellensystems und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Anordnung gemäß Fig. 1 mit einer an eine Brennstoffgemischzuleitung angekoppelten Meßsonde.

Das Methanol als Brennstoff verwendende Brennstoffzellensystem gemäß Fig. 1 umfaßt eine Brennstoffzelle 1 mit einer Brennstoffkammer 2 und einer Reaktionsstoffkammer 3. Über die Brennstoffgemischzuleitung 4 wird der Brennstoffkammer 2 das aus Methanol und Wasser be stehende Brennstoffgemisch zugeführt, wobei die Methanolkonzentration im Brennstoffgemisch etwa 4 Vol% beträgt. Der Reaktionsstoffkammer 3 wird über eine Reaktionsstoffzuleitung Luft zugeführt. Über die Abgasableitung 6 wird das Abgas, ein Wasser-Luft-Gemisch, aus der Reak tionsstoffkammer 3 abgeführt.

Über die Restbrennstoffableitung 7 wird das um den verbrauchten Methanolanteil reduzierte Brennstoffgemisch aus der Brennstoffkammer 2 abgeführt und zu einem Zwischenvorrat 8 ge bracht. An den Zwischenvorrat 8 ist eine Rückführpumpe 9 angeschlossen, über die das im Methanolgehalt reduzierte Brennstoffgemisch in die Brennstoffgemischzuleitung 4 und somit zur Brennstoffkammer 2 gepumpt wird. Das Brennstoffgemisch wird somit im Kreislauf geführt.

Damit das in die Brennstoffkammer 2 gelangende Brennstoffgemisch die erforderliche Metha nolkonzentration aufweisen kann, wird aus einem Methanolvorrat 10 über eine Methanolpumpe 11 Methanol in eine Mischkammer 12 gepumpt, wo es sich mit dem im Methanolgehalt redu zierten Brennstoffgemisch aus dem Zwischenvorrat 8 vermischt. Die Mischkammer 12 ist in Fig. 1 symbolisch vergrößert dargestellt, kann jedoch tatsächlich auch lediglich ein Teil der Brenn stoffgemischzuleitung 4 sein. Die Methanolpumpe 11 ist in ihrer Pumpleistung steuerbar.

Um einen möglichst konstanten Methanolgehalt des in die Brennstoffkammer 3 eintretenden Brennstoffgemisches gewährleisten zu können, wird die Methanolkonzentration geregelt. Hierfür wird eine von der Methanolkonzentration im Brennstoffgemisch direkt abhängige Größe gemes sen. In Fig. 2 ist der in Fig. 1 gestrichelt eingekreiste Bereich vergrößert dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Meßsonde 13, die auf der Brennstoffgemischzuleitung 4 aufgesetzt ist. Die Meßsonde 13 weist eine Membran 14 auf, die mit dem vorbeiströmenden Brennstoffgemisch in unmittelbarem Kontakt steht. Die Membran 14 ist für Wasser und Methanol derartig selektiv durchlässig, daß sich in einer durch die Wände 15 der Meßsonde 13 sowie der Membran 14 begrenzten Meß kammer 16 ein aus Wasser und Methanol bestehendes Meßgemisch mit einem Methanolgehalt im ppm-Bereich bildet. In der Meßkammer 16 befindet sich ein Methanolsensor 17, der in die sem Konzentrationsbereich hochwirksam ist. Die vom Methanolsensor 17 in Abhängigkeit von der Methanolkonzentration im Meßgemisch erzeugte Meßgröße wird über die Meßleitung 18 an einen Regler 19 (Fig. 1) weitergegeben, der die Methanolpumpe 11 somit in Abhängigkeit von der Methanolkonzentration im Meßgemisch steuert. Da die Methanolkonzentration im Meßge misch direkt von der Methanolkonzentration im Brennstoffgemisch in der Brennstoffzuleitung 4 am Ort der Meßsonde 13 abhängt, kann mit dieser Regelung die Methanolkonzentration im Brennstoffgemisch weitgehend konstant gehalten werden.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzelle

2

Brennstoffkammer

3

Reaktionsstoffkammer

4

Brennstoffgemischzuleitung

5

Reaktionsstoffzuleitung

6

Abgasableitung

7

Restbrennstoffableitung

8

Zwischenvorrat

9

Rückführpumpe

10

Methanolvorrat

11

Methanolpumpe

12

Mischkammer

13

Meßsonde

14

Membran

15

Wand

16

Meßkammer

17

Methanolsensor

18

Meßleitung

19

Regler

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Brennstoffkonzentration in einem einen Alkohol oder Ether als Brennstoff und Wasser enthaltenden Brennstoffgemisch einer Brennstoffzelle (1), bei dem

a) der Brennstoff über einen steuerbaren Brennstoffeinlaß (11) einem Mischraum (12) zuge führt wird, von wo aus das Brennstoffgemisch über eine Brennstoffgemischzuleitung (4) zur Brennstoffzelle (1) fließt,
b) das Brennstoffgemisch in Flußrichtung hinter dem Brennstoffeinlaß (11) einer eine Meß kammer (16) begrenzende, für Wasser und den Brennstoff selektiv permeable Membran (14) zugeführt wird,
c) in der Meßkammer (16) ein flüssiges oder gasförmiges Meßgemisch hergestellt wird mit einer von der aus dem Brennstoffgemisch in die Meßkammer (16) pro Zeiteinheit permetier ten Brennstoffmenge abhängigen Brennstoffkonzentration von jedenfalls weniger als 1 Vol% oder mehr als 5 Vol%,
d) die Brennstoffkonzentration im Meßgemisch festgestellt wird und
e) der Brennstoffeinlaß (11) in Abhängigkeit von der Brennstoffkonzentration im Meßgemisch gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßkammer (16) ein flüssiges oder gasförmiges Meßgemisch hergestellt wird mit einer von der aus dem Brenn stoffgemisch in die Meßkammer (16) pro Zeiteinheit permetierten Brennstoffmenge abhängigen Brennstoffkonzentration von weniger als 0,1 Vol%.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßkammer (16) ein flüssiges oder gasförmiges Meßgemisch hergestellt wird mit einer von der aus dem Brenn stoffgemisch in die Meßkammer (16) pro Zeiteinheit permetierten Brennstoffmenge abhängigen Brennstoffkonzentration von mehr als 10 Vol%.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Meßgemischs in der Meßkammer (16) eine Trägerflüssigkeit bzw. ein Trägergas zur Verdünnung und/oder Entfernung des permetierten Brennstoffs eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkonzentration des Meßgemischs im Falle von Werten oberhalb 10 bzw. 5 Vol% mittels eines Flüssigkeitssensors bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkonzen tration des Meßgemischs mittels Dichte- oder Viskositätsmessungen bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkonzen tration des Meßgemischs mittels optischer Verfahren bestimmt wird.

8. Verfahren Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkonzentration des Meßgemischs mittels Infrarotabsorbtion bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkonzentration des Meßgemischs im Falle von Werten unterhalb 1,0 bzw. 0,1 Vol% mittels eines Gassensors bestimmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkonzen tration des Meßgemischs mittels optischer Verfahren oder durch Erfassung der Leitfähigkeit bestimmt wird.

11. Verfahren Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkonzentration des Meßgemischs mittels Infrarotabsorbtion bestimmt wird.

12. Brennstoffzellensystem umfassend

a) mindestens eine mit einem einen Alkohol oder Ether als Brennstoff und Wasser enthaltenden Brennstoffgemisch zu betreibende Brennstoffzelle (1),
b) mindestens einen mit jeweils einem steuerbaren Brennstoffeinlaß (14) verbundenen Misch raum (12) und
c) mindestens einer, den mindestens einen Mischraum (12) jeweils mit der mindestens einen Brennstoffzelle (1) verbindenden Brennstoffgemischzuleitung (4), gekennzeichnet durch
d) mindestens eine in Fließrichtung des Brennstoffgemisches hinter dem Brennstoffeinlaß (11) angeordnete Meßsonde (13), wobei jede Meßsonde (13)
- a) eine Meßkammer (16),
- b) eine die Meßkammer (16) begrenzende, mit dem Brennstoffgemisch in Kontakt ste hende und für Wasser und/oder den Brennstoff selektiv permeable Membran (14) zur Erzeugung eines flüssigen oder gasförmigen Meßgemisches in der Meßkammer (16) mit einer von der aus dem Brennstoffgemisch in die Meßkammer (16) pro Zeiteinheit permetierten Brennstoffmenge abhängigen Brennstoffkonzentration von jedenfalls weniger als 1 bzw. 0,1 Vol% oder mehr als 5 bzw. 10 Vol% und
- c) einen Sensor (17) zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration im Meßgemisch aufweist, sowie durch
e) Mittel (19) zur Steuerung des Brennstoffeinlasses (11) in Abhängigkeit von der Brennstoff konzentration im Meßgemisch.

13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (17) ein Gas-, Flüssigkeits-, Infrarotabsorptions-, Dichtemessungs-, optischer oder Leitfähigkeitmessungs-Sensor vorgesehen ist.