EP1675674A1 - Vorrichtung und verfahren zur erhühung der brennstoffkonzent ration in einem der anode einer brennstoffzelle zugefährten, einen brennstoff enthaltenden flüssigkeitsstrom - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erhühung der brennstoffkonzent ration in einem der anode einer brennstoffzelle zugefährten, einen brennstoff enthaltenden flüssigkeitsstrom

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EP1675674A1
EP1675674A1 EP04790721A EP04790721A EP1675674A1 EP 1675674 A1 EP1675674 A1 EP 1675674A1 EP 04790721 A EP04790721 A EP 04790721A EP 04790721 A EP04790721 A EP 04790721A EP 1675674 A1 EP1675674 A1 EP 1675674A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
carrier component
mixture
flow
concentration
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04790721A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anders Oedegaard
Christopher Hebling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1675674A1 publication Critical patent/EP1675674A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/04—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices using osmotic pressure using membranes, porous plates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/314—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit
    • B01F25/3142—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit the conduit having a plurality of openings in the axial direction or in the circumferential direction
    • B01F25/31421—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit the conduit having a plurality of openings in the axial direction or in the circumferential direction the conduit being porous
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H01M8/04194—Concentration measuring cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for supplying a diluted fuel to the anode of a fuel cell.
  • Fuel cells are devices in which an electrochemical reaction is used to generate electrical energy. Much attention has been paid to fuel cells in recent decades. This is due to their potential high energy density and the overall reduction of exhaust gases or waste products compared to the current energy generation systems. Due to their modular nature, they can cover the entire range of energy generation, from energy generation Generation for small portable applications up to large power generation plants. Depending on the application and the materials used as components of the fuel cell, a variety of substances can be used as fuel for the cell. Due to their high energy density, organic materials such as methanol or formaldehyde are attractive candidates for fuel.
  • a fuel cell converts chemical energy into electrical energy with the help of two electrochemical reactions that take place separately from each other in reaction spaces separated by an electrolytic ion conductor.
  • PEMFC polymer electrolyte membrane fuel cell
  • hydrogen is oxidized to protons at the anode.
  • the protons migrate through the electrolytic membrane to the cathode, while the electrons remain behind due to the electrical insulation properties of the membrane or are forced into an external electrical circuit.
  • oxygen is reduced to water with the help of electrons and protons, which is the only emission product of the hydrogen-powered PEMFC.
  • the aim is for the fuel cells in small electrical devices to replace the rechargeable batteries used today.
  • an energy supply device with a high energy density such as that represented by a fuel cell
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • the DMFC has a lower energy density due to problems with the reaction kinetics and the crosstalk of fuel, ie the passage of methanol through the electrolytic membrane.
  • the main advantages of the DMFC are the simple storage of fuel with high energy density (methanol) and the simplicity of the overall system structure.
  • the electrochemical reaction at the anode is the conversion of methanol and water to carbon dioxide (C0 2 ), hydrogen ions (H + ) and electrons (e " ).
  • the hydrogen ions flow through a polymer or plastic membrane as an electrolyte to the cathode, while the free electrons flow through a consumer that is normally connected between the anode and the cathode.
  • oxygen reacts with hydrogen ions and free ones
  • a DMFC only emits carbon dioxide and water.
  • Such a direct methanol fuel cell is described, for example, in US Pat. No. 5,599,638.
  • the fuel penetrates through the entire surface of the porous wall, which leads to the production of a homogeneous mixture.
  • the associated device (10, 20) at least different sections of the hollow body (1, 21) have porous walls (2, 22).
  • a device of this type is preferably used in DMFC direct methanol fuel cells in which the operating temperature and the operating pressure can be predetermined.
  • US 3,833,016 describes a device for the pre- precisely controllable dilution of gas samples.
  • Concentrated gas samples for example exhaust gas samples
  • a permeable membrane for example made of Teflon.
  • the membrane divides a cylindrical housing into two parts by inserting it into the housing perpendicular to the cylinder axis.
  • a goblet-shaped core is introduced, which, since its end wall is at a distance from the membrane, forms a gas flow passage running transversely to the cylinder axis on opposite sides of the membrane and thus enables the gas to flow past the membrane.
  • the side walls of the goblet-shaped core are also at a distance from the cylindrical housing and thus form a longitudinal flow passage for the gas, which has an annular cross section. Gas samples are fed through each longitudinal flow passage and through each transverse passage with the help of a pipe that runs through the end wall of the respective
  • Kerns extends, led away. Electrical heating elements are attached to the side wall of the housing; these are regulated with the aid of temperature sensors which are located in the gas passage running transversely to the cylinder axis, adjacent to the permeable membrane.
  • the entire housing is surrounded by insulating material, so that precise control of the temperature in the housing is possible.
  • the membrane is thus used as a wall in a bypass device in which gas flows are passed on both sides of the membrane.
  • the membrane serves to dilute a gas stream, not to increase the concentration of a liquid fuel in a mixture of fuel and carrier component. Both sides of the membrane are pressurized.
  • the patent US 0,127,141 AI shows a fuel container with several walls and a feed system.
  • the document discloses a fuel container and a feed device which can be used with a direct methanol fuel cell.
  • the container and the feed device use fuel which, in a preferred embodiment, is fed to the fuel cell in the form of either pure methanol or an aqueous methanol / water mixture.
  • a substance containing fuel is mixed with additives.
  • the fuel-containing substance is housed in an inner tank, which has an outer container.
  • a mixing chamber which is defined by the space between the outer container and a flexible bladder, is filled with the additives in such a way that when the entire feed device breaks, the substance containing the fuel is mixed with the additives.
  • the inner tank is a flexible bladder.
  • a rupture device on a needle is disclosed which extracts the fuel in its pure form and tears open the flexible bladder so that all of the remaining fuel is mixed with the additives when it is necessary to dispose of or refill the container ,
  • German patent DE 35 08 153 discloses a fuel cell system in which a methanol / water mixture is supplied with the aid of a tank. In order to set a predetermined methanol concentration, a certain amount of methanol is additionally added using a control element.
  • a direct methanol fuel cell DMFC the hydrogen of the methanol and the water is used according to the following reaction equation: CH 3 OH + H 2 0 -> C0 2 + 6H + + 6e "
  • Fuel cells can be used to actively regulate the methanol concentration.
  • the object of the present invention is to provide a simply constructed and easy-to-operate, flow-through device for changing or increasing the concentration of a fuel for a fuel cell in a mixture of carrier component and fuel.
  • the mixture of carrier component and fuel is fed to the anode of the fuel cell.
  • a fuel concentration increasing device for increasing the concentration of a fuel in a mixture of a carrier component and the fuel, the mixture being 1 U
  • a fuel storage device for example a tank
  • at least one flow-through device is arranged, with the aid of which the mixture of carrier component and fuel is passed through the fuel storage device.
  • the flow device is designed as a membrane permeable to the fuel or semipermeable with the corresponding transport properties, or that the flow device has such a membrane.
  • the advantageously concentrated fuel located in the fuel storage device is added to the mixture of carrier component and fuel by passing the mixture of carrier component and fuel through the flow device and by using the diffusion properties of the membrane with respect to the fuel become.
  • the fuel stored in the fuel storage device thus diffuses through the flow device designed as a membrane or the membrane part of the flow device.
  • the flow device can, for example, advantageously be a channel in the flow device with a circular cross section, as a result of which the concentration of the fuel in the Anode supply current or in the mixture of carrier component and fuel is increased on its way through the flow device.
  • the basis of the invention is therefore to utilize the advantageous transport properties of substances in fuel-permeable or semi-permeable membranes by using them in the storage and supply system of direct methanol fuel cells.
  • the device according to the invention is designed such that the flow-through device enables the fuel / carrier component mixture to be passed through several times, so that the concentration of the fuel in the mixture is increased several times.
  • a flow loop which can be designed, for example, in the form of a spiral.
  • a plurality of flow devices or a number of channels are passed through the fuel storage device or the fuel tank.
  • the individual flow devices can have any shapes and sizes and can be oriented in any way with respect to the fuel tank. It goes without saying that this applies even if only one flow device is present.
  • the water produced at the cathode of the fuel cell is reused by adding it to the anode feed stream.
  • the fuel tank of the devices according to the invention is provided with components, stabilizing or supporting devices, for example made of foam or other materials, in order to ensure operation independently of the spatial
  • the foam or another support material is arranged around a membrane flow device which is permeable or semi-permeable to the fuel in such a way that the device is independent of it physical orientation can be operated.
  • at least one filter is used in the fuel tank and / or in the area of influence and / or outflow of the flow devices.
  • the device is provided with thermal insulation and / or a heater for the fuel tank.
  • the device is thermally or physically connected to the fuel cell.
  • the device according to the invention also with carrier components other than water, with more or less concentrated fuel in the fuel tank, with anode feed streams of any type and flow rate, with fuel-permeable or semi-permeable membranes made of any materials and / or in addition to the already mentioned methanol, it can be operated or used with a wide variety of fuels such as ethanol.
  • the fuel concentration increasing device described above has a number of advantages:
  • Devices according to the invention for increasing the concentration of a fuel for a fuel cell can be designed or used as described in one of the examples below.
  • the figures belonging to the examples and described below have corresponding reference numerals for the same or corresponding components of the device.
  • FIG. 1 schematically shows a tank containing a fuel, through which a channel leads from a membrane permeable to the fuel.
  • Figure 2 outlines the increase in the concentration of fuel in the device shown in Figure 1.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional view of a rectangular tank 1 which is filled with concentrated methanol.
  • a flow channel 2 with a circular cross section is introduced into the tank 1 through the left wall 1A of the tank 1.
  • the walls of the flow channel consist of a membrane made of DuPont TM Nafion ® , a perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethane copolymer in acid (H + ) form.
  • the cylinder the axis of the cylindrical flow channel 2 is perpendicular to the wall 1A and perpendicular to the right wall 1B of the tank 1, the latter leading the flow channel 2 out of the tank 1 again. From the left a mixture of methanol and water is introduced 3.
  • the walls of the flow channel 2 consist of a for Methanol permeable membrane.
  • the cuboid thus represents a methanol storage tank 1 which is filled with concentrated methanol.
  • the anode supply stream a mixture of methanol and water, is passed in channel 2.
  • the walls made of a membrane permeable to methanol allow methanol to diffuse from the methanol storage tank 1 into the channel 2 and thus into the mixture of water and methanol.
  • the methanol concentration in the anode feed stream is increased as long as the feed stream flows through the methanol tank 1.
  • no second pump is necessary, concentrated methanol can be stored, while at the same time the anode feed stream has a lower methanol concentration.
  • FIG. 2 shows the increase in the methanol concentration while a mixture of methanol and water flows through a channel 2 with a circular cross section.
  • the figure shows in two dimensions
  • FIG. 2 thus shows the increase in the methanol concentration in the mixture as it flows in the region of the channel 2 which is located inside the tank 1.
  • the diffusion of methanol through the membrane walls of channel 2, which are permeable to methanol, is due to the difference in concentration of methanol in storage tank 1 and in the anode feed stream in channel 2.
  • Concentrated methanol is 24.6 molar (mol methanol / liter)
  • the optimal anode feed stream has one 1 to 2 molar concentration, ie approx. 1 part methanol to 20 parts water (vol / vol).
  • the transport through the membrane, which is permeable to methanol also depends on the temperature, pressure and membrane thickness.
  • the methanol concentration of the stream 4 of the mixture emerging from the channel is thus determined by the properties mentioned plus the flow rate and the length of the channel in the filled tank or the area of the membrane which is exposed to the methanol in the tank.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Brennstoffzellentechnologie auf eine Vorrichtung und eine Methode für die Zufuhr eines Brennstoffes zu der Anode einer Direktalkoholbrennstoffzelle. Die Vorrichtung weist eine Brennstoffspeichervorrichtung, in der der Brennstoff gespeichert wird, auf, sowie eine Durchflusseinrichtung, deren Wand zumindest teilweise aus einer für den Brennstoff permeablen Membran auf gebaut ist, mit der eine Mischung aus einer Trägerkomponente und dem Brennstoff durch die Brennstoffspeichervorrichtung hindurchgeleitet wird, wobei die Konzentration des Brennstoffes in der Mischung durch Diffusion von Brennstoff durch die permeable Membranwand erhöht wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Brenn- stoffkonzentration in einem der Anode einer Brennstoffzelle zugeführten, einen Brennstoff enthaltenden Flüssigkeitsstrom
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Brennstoffzellentechnologie auf eine Vorrichtung und eine Methode für die Zufuhr eines verdünnten Brennstoffes zur Anode einer Brennstoffzelle. Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, in welchen eine elektrochemische Reaktion verwendet wird, um elektrische E- nergie zu gewinnen. Den Brennstoffzellen wurde in den letzten Dekaden viel Aufmerksamkeit gewidmet. Dies liegt an ihrer potentiellen hohen Energiedichte und in der insgesamt gesehenen Reduktion von Abgasen bzw. Abfallprodukten im Vergleich zu den gegenwärtigen E- nergieerzeugungssystemen. Aufgrund ihrer modularen Natur kann die gesamte Bandbreite der Energieerzeugung durch sie abgedeckt werden, von der Energieer- zeugung für kleine tragbare Anwendungen bis hin zu großen Energieerzeugungsanlagen. Abhängig von der Anwendung und von den Materialien, die als Komponenten der Brennstoffzelle verwendet werden, kann eine Viel- zahl von Stoffen als Brennstoff für die Zelle verwendet werden. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind organische Materialien wie Methanol oder Formaldehyd attraktive Kandidaten als Brennstoff.
Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie in elektrische Energie um mit Hilfe von zwei elektrochemischen Reaktionen, die getrennt voneinander in durch einen elektrolytischen Ionenleiter voneinander getrennten Reaktions äumen ablaufen. In einer wasser- Stoffbetriebenen Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) . wird Wasserstoff an der Anode zu Protonen oxidiert. Die Protonen wandern durch die elektrolytische Membran zur Kathode, während die Elektronen aufgrund der elektrischen Isolierungseigenschaften der Membran zurückbleiben bzw. in einen äußeren elektrischen Stromkreis gezwungen werden. An der Kathode wird Sauerstoff mit Hilfe von Elektronen und Protonen zu Wasser reduziert, welches das einzige Emissionsprodukt der wasserstoffbetriebenen PEMFC ist.
Es wird angestrebt, dass in kleinen elektrischen Geräten die Brennstoffzellen die heute verwendeten, wiederaufladbaren Batterien ersetzen. Im Bereich der tragbaren elektronischen Applikationen wie beispielsweise bei tragbaren Computern ist eine Energieversorgungsvorrichtung mit hoher Energiedichte, wie sie eine Brennstoffzelle darstellt, hochgradig erwünscht, da dieser Bereich gewöhnlich unter einer nicht aus- reichenden Laufzeit je Batterieladung leidet. Mögliche Ausgestaltungen von Brennstoffzellen für tragbare Computersysteme sind die Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEMFC) und die Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) . Die PEMFC wird mit Wasserstoff betrieben und weist hohe Energiedichten auf, leidet je- doch an verschiedenen Nachteilen wie unbefriedigender Brennstoffspeicherung und zu beachtenden Sicherheits- aspekten, wie nicht zufriedenstellend gelöstem Wärme- und Wassermanagement sowie daran, passende Materialien zur Verwendung in WasserstoffUmgebung zu finden. Die DMFC hat demgegenüber eine geringere Energiedichte aufgrund von Problemen mit der Reaktionskinetik und dem Übersprechen von Brennstoff, d.h. dem Übergang von Methanol durch die elektrolytische Membran. Der Hauptvorteil der DMFC sind die einfache Speiche- rung von Brennstoff mit hoher Energiedichte (Methanol) und die Einfachheit des gesamten Systemaufbaus . In der DMFC ist die elektrochemische Reaktion an der Anode die Umwandlung von Methanol und Wasser zu Kohlendioxid (C02) , Wasserstoffionen (H+) und Elektronen (e") . Die Wasserstoffionen fließen durch eine Polymer- bzw. Kunststoffmembran als Elektrolyt zur Kathode, während die freien Elektronen durch einen Verbraucher, der normalerweise zwischen die Anode und die Kathode geschaltet ist, fließen. An der Kathode reagiert Sauerstoff mit Wasserstoffionen und freien
Elektronen zu Wasser. Somit besteht der Ausstoß einer DMFC lediglich in Kohlendioxid und Wasser. Eine solche Direktmethanolbrennstoffzelle wird beispielsweise in der Patentschrift US 5,599,638 beschrieben.
In den letzten Jahren wurden verschiedene Prototypen von BrennstoffZellensystemen für tragbare Anwendungen präsentiert. Es ist jedoch weitere Entwicklungsarbeit notwendig,- um sie mit Batterien oder anderen Vorrich- tungen zur Erzeugung vergleichsweise geringer Energiemengen vergleichbar zu machen. Um die hohe poten- tielle Energiedichte verwertbar zu machen, ist ein besseres Speicher- und Zuführsystem (zur Zuführung des Brennstoffes zur Anode) notwendig. Momentan liegt der Fokus der Entwicklung hierbei mehr auf der Sys- temseite, d.h. beispielsweise darin, passende Bau- und Bestandteile auszuwählen und Kontrollroutinen zu entwickeln, die einen stabilen Betrieb ermöglichen.
Vorrichtungen zur Änderung der Konzentration eines für eine Brennstoffzelle gedachten Brennstoffes in einer Mischung aus Trägerkomponente und Brennstoff sind bereits Stand der Technik. Die Patentschrift WO 02/14212 AI beschreibt eine Methode, um einen Brennstoff mit Wasser zu vermischen, eine zugehörige Vorrichtung und die Verwendung beider: Um eine lei- stungsbasierte Regelung einer Brennstoffzelle sicherzustellen, ist die Verwendung von Brennstoffmischungen mit einer definierten Flussrate notwendig. Um eine solche Mischung zu produzieren, wird nach dieser Patentschrift Wasser durch einen Hohlkörper gepumpt, der, zumindest in verschiedenen Sektionen, eine Wand, die aus porösem Material besteht, aufweist, wobei Brennstoff in einem Bereich auf der anderen Seite der porösen Wand mit einer definierten Flussrate gepumpt wird. In Folge der Druckdifferenz dringt der Brennstoff über die gesamte Oberfläche der porösen Wand durch diese hindurch, was zur Herstellung einer homogenen Mischung führt. In der zugehörigen Vorrichtung (10, 20) haben zumindest verschiedene Sektionen des Hohlkörpers (1, 21) poröse Wände (2, 22). Eine Vorrichtung dieses Typs wird bevorzugt in Direktmethanolbrennstoffzellen DMFC eingesetzt, bei denen die Betriebstemperatur und der Betriebsdruck vorher festgelegt werden können.
Die US 3,833,016 beschreibt eine Vorrichtung zur prä- zise kontrollierbaren Verdünnung von Gasproben. Konzentrierte Gasproben, beispielsweise Abgasproben, werden mit hoher Genauigkeit verdünnt, indem eine kontrollierte Diffusion durch eine permeable Membran, beispielsweise aus Teflon, stattfindet. Die Membran teilt ein zylindrisch ausgeführtes Gehäuse in zwei Teile, indem sie senkrecht zur Zylinderachse in das Gehäuse eingeführt wird. In jedem der beiden Teile ist ein kelchförmiger Kern eingebracht, der, da seine Endwand einen Abstand von der Membran aufweist, eine quer zur Zylinderachse verlaufende Gasdurchflusspassage auf gegenüberliegenden Seiten der Membran bildet und damit ein Vorbeiströmen des Gases an der Membran ermöglicht. Auch die Seitenwände des kelchfδrmigen Kerns weisen einen Abstand vom zylinderförmigen Gehäuse auf und bilden somit eine Längsflusspassage für das Gas, welche einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Gasproben werden über jede Längsflusspassage zugeleitet und über jede Querpassage mit Hilfe einer Leitung, die sich durch die Endwand des jeweiligen
Kerns erstreckt, weggeleitet. Auf der Seitenwand des Gehäuses sind elektrische Heizelemente angebracht; diese werden mit Hilfe von Temperatursensoren, die in der quer zur Zylinderachse laufenden Gaspassage be- nachbart zur permeablen Membran angebracht sind, geregelt. Das gesamte Gehäuse ist von Isoliermaterial umgeben, so dass eine präzise Kontrolle der Temperatur im Gehäuse möglich ist. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird die Membran somit als Wand in einer Vorbeiflusseinrichtung genutzt, in der beiderseits der Membran Gasströme vorbeigeleitet werden. Die Membran dient zur Verdünnung eines Gasstromes, nicht zur Erhöhung der Konzentration eines flüssigen Brennstoffes in einer Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente. Beide Seiten der Membran sind druckbeaufschlagt . Die Patentschrift US 0,127,141 AI zeigt einen BrennstoffContainer mit mehreren Wänden sowie ein Zuführsystem. Die Druckschrift offenbart einen Brennstoff- Container und eine Zuführeinrichtung, welche mit einer Direktmethanolbrennstoffzelle eingesetzt werden können. Der Container und die Zuführeinrichtung verwendet Brennstoff, der, in einer bevorzugten Ausfüh- rungsform, in Form von entweder reinem Methanol, oder einer wässrigen Methanol/Wasser-Mischung zur Brennstoffzelle geführt wird. Bevor der Brennstoff aus der Brennstoffzelle geführt wird, wird eine Brennstoff enthaltende Substanz mit Zusätzen vermischt. Die Brennstoff enthaltende Substanz ist in einem inneren Tank untergebracht, welcher über einen äußeren Container verfügt. Eine Mischkammer, die durch den Raum zwischen dem äußeren Container und einer flexiblen Blase definiert ist, wird mit den Zusätzen so gefüllt, dass beim Bruch der gesamten Zuführeinrichtung die den Brennstoff enthaltende Substanz mit den Zusätzen vermischt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der innere Tank eine flexible Blase. Es ist eine Bruchvorrichtung auf einer Nadel offenbart, welche den Brennstoff in reiner Form herauszieht und die flexible Blase aufreißt, so dass der gesamte noch übrig gebliebene Brennstoff mit den Zusätzen vermischt wird, wenn es notwendig ist, über den Container zu verfügen oder ihn erneut aufzufüllen.
Das deutsche Patent DE 35 08 153 offenbart ein Brennstoffzellensystem, in dem eine Methanol/Wasser- Mischung mit Hilfe eines Tanks zugeführt wird. Um eine vorherbestimmte Methanolkonzentration einzustellen, wird eine bestimmte Methanolmenge zusätzlich mit Hilfe eines Regelelementes zugesetzt. In einer Direktmethanolbrennstoffzelle DMFC wird der Wasserstoff des Methanols und des Wassers gemäß der folgenden Reaktionsgleichung verwendet : CH3OH + H20 -> C02 + 6H+ + 6e"
Somit ist es notwendig, der Anode eine Mischung aus Methanol und Wasser zuzuführen, idealerweise in einem molaren Verhältnis von 1:1. Eines der größten Proble- me bei der DMFC ist das Übersprechen des Methanols durch die Membran bzw. den Elektrolyten. Der Protonentransport (Wasserstoffionen) in der Polymer- bzw. Kunststoffmembr n bzw. dem Elektrolyten wird von Wasser gefolgt. In einer PEMFC schleppt jedes Proton et- wa zwei bis drei Wassermoleküle von der Anode zur Kathode nach. Durch die physikalische Ähnlichkeit zwischen Methanol und Wasser (z. B. Größe des Moleküls, Dipolmoment) , treten in einer DMFC beide Flüssigkeiten durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode über. Dies führt zu einem Mischpotential an der Kathode und zu einer insgesamt niedrigeren Zellspannung. Um diese Verluste zu minimieren, liegt das heutzutage üblicherweise verwendete volumetrische Mischungsverhältnis zwischen Methanol und Wasser zwi- sehen 1:20 und 1:10 (Vol/Vol) .
Betrachtet man die Gesamtreaktionsgleichung einer Direktmethanolbrennstoffzelle, so sieht man, dass während des Betriebs Wasser produziert wird:
CH3OH + 3/2 02 -> 2H20 + C02
Dies bedeutet, dass kein Wasser nachgefüllt werden muss. Es ist somit ausreichend, wenn Methanol dem System in der gewünschten Menge zugeführt wird. Heutzutage wird dies entweder durchgeführt, indem (1) ein bereits verdünnter Brennstoff gespeichert wird oder indem (2) zwei Tanks verwendet werden/ einer für Wasser und einer für konzentriertes Methanol. Eine Speicherung von konzentriertem Methanol wie in (2) ist aufgrund der viel höheren Energiedichte vorzuziehen. (2) bedingt jedoch auch ein komplizierteres Zufunrund Mischsystem. Jeder Tank benötigt eine Pumpe für die Zuführkontrolle und die Tanks müssen mit einem Brennstoffkonzentrationssensor und einem Mischtank kombiniert werden, um den Zufluss von verdünntem
Brennstoff zur Brennstoffzelle sicherzustellen. Somit ist durch Speicherung von konzentriertem Methanol ein hoher Gewinn an Energiedichte zu verzeichnen, aber dieser wird mit einem komplexeren System erkauft . Um den Betrieb tatsächlich zu optimieren, ist es notwendig, die Methanolkonzentration der variierenden Last anzugleichen, indem lediglich die an der Anode verbrauchte Menge an Methanol zugesetzt wird. Dies zeigt die US-Patentschrift US 0,086,193 AI (Vorrichtung und Methode für eine sensorlose Optimierung der Methanol- konzentration in einer Direktmethanolbrennstoffzelle) . Die Patentschrift zeigt eine Vorrichtung und Methoden, um die Methanolkonzentration in einer Direktmethanolbrennstoffzelle zu regeln, ohne dass ein Me- thanolsensor benötigt wird. Dies geschieht, indem eine oder mehrere Betriebsparameter der Brennstoffzelle, wie beispielsweise die Potentialdifferenz am Verbraucher, das Potential des offenen Kreislaufes, das Potential an der Anode nahe am Ende der Brenn- stoffzuführvorrichtung oder der Kurzschlussstrom der
Brennstoffzelle genutzt werden, um die Methanolkonzentration aktiv zu regeln.
Wie bereits beschrieben ist es erwünscht, Direktalko- holbrennstoffzellen bzw. DirektmethanolbrennstoffZellen verdünnten Brennstoff zuzuführen, also eine Mi- schung aus Wasser und Brennstoff/Methanol . Dies erhöht die mit der Zelle gewinnbare Energie, da die Spannungsverluste aufgrund des Übersprechens des Methanols abnehmen. Die Verdünnung des Methanols bringt jedoch andere Nachteile mit sich:
• Die Konstruktion eines Brennstoffzellensystems wird komplizierter und teurer aufgrund von Strukturen und Prozessen, die benötigt werden, um das Wasser zu speichern und handzuhaben.
• Die Energie pro Volumeneinheit des Brennstoffzellensystems, diese ist ein kritischer Faktor in Bezug auf die potentiellen, kommerziellen An- Wendungen der Brennstoffzelle, wird reduziert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute und einfach zu betreibende, im Durchflussverfahren arbeitende Vorrichtung zur Änderung bzw. Erhöhung der Konzentration eines Brennstoffes für eine Brennstoffzelle in einer Mischung aus Trägerkomponente und Brennstoff zur Verfügung zu stellen. Die Mischung aus Trägerkomponente und Brennstoff wird der Anode der Brennstoffzelle zugeführt.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 26 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der beschriebenen Ver- fahren und Verwendungen werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffkonzentrationserhδ- hungsVorrichtung zur Erhöhung der Konzentration eines Brennstoffes in einer Mischung aus einer Trägerkomponente und dem Brennstoff, wobei die Mischung bei- 1 U
spielsweise in einer Brennstoffzelle verwendet wird, weist die folgenden Bestandteile auf: In einer BrennstoffSpeichervorrichtung, beispielsweise einem Tank, ist mindestens eine Durchflusseinrichtung angeordnet, mit Hilfe derer die Mischung aus Trägerkomponente und Brennstoff durch die BrennstoffSpeichervorrichtung hindurchgeleitet wird. Entscheidend ist nun, dass die Durchflusseinrichtung als für den Brennstoff permeable oder semipermeable Membran mit den entsprechenden Transporteigenschaften ausgeführt ist, oder dass die Durchflusseinrichtung eine solche Membran aufweist. Mit Hilfe dieser Membran wird der in der Brennstoff- speichervorrichtung befindliche, vorteilhafterweise konzentrierte Brennstoff der Mischung aus Trägerkom- ponente und Brennstoff zugesetzt, indem die Mischung aus Trägerkomponente und Brennstoff durch die Durchflusseinrichtung hindurchgeleitet wird und indem die Diffusionseigenschaften der Membran in Bezug auf den Brennstoff genutzt werden. Der in der Brennstoffspei- chervorrichtung gespeicherte Brennstoff diffundiert somit durch die als Membran ausgeführte Durchfluss- einrichtung bzw. den Membranteil der Durchflusseinrichtung, es kann sich bei der Durchflusseinrichtung beispielsweise vorteilhafterweise um einen Kanal bei der Durchflusseinrichtung mit kreisförmigem Querschnitt handeln, wodurch die Konzentration des Brennstoffes im Anodenzufuhrstrom bzw. in der Mischung aus Trägerkomponente und Brennstoff auf seinem Weg durch die Durchflusseinrichtung erhöht wird. Die Grundlage der Erfindung ist es somit, die vorteilhaften Transporteigenschaften von Substanzen in für den Brennstoff permeablen oder semipermeablen Membranen auszunutzen, indem diese in dem Speicher- und Zuführsystem von Direktmethanolbrennstoffzellen eingesetzt werden. Indem der verdünnte Anodenzufuhrstrom an Brennstoff durch eine solche in einem Brennstofftank eingebrach- te Membran-Durchflusseinrichtung geleitet wird, kann somit Brennstoff (Alkohol) passiv zum Anodenzufuhrstrom hinzugesetzt werden.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgeführt, dass die Durchflusseinrichtung ein mehrfaches Durchleiten des Brennstoff-Trägerkomponentengemisches ermöglicht, so dass die Konzentration des Brennstoffes im Gemisch mehrfach erhöht wird. Dies kann vorteilhafterweise mit Hilfe einer Durchflussschleife, die beispielsweise in Form einer Spirale ausgeführt sein kann, realisiert werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform werden mehrere Durchflusseinrichtungen bzw. mehrere Kanäle durch die Brennstoffspeichervor- richtung bzw. den Brennstofftank geleitet. Die einzelnen Durchflusseinrichtungen können hierbei beliebige Formen und Größen aufweisen und in Bezug auf den Brennstofftank beliebig orientiert sein. Es versteht sich von selbst, dass dies auch bei Vorhandensein lediglich einer Durchflusseinrichtung gilt. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das an der Kathode der Brennstoffzelle produzierte Wasser wiederverwendet, indem es dem Ano- denzuführstrom zugesetzt wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Brennstofftank der erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit Komponenten, Stabilisierungs- oder Stützvorrichtungen, beispielsweise aus Schaumstoff oder anderen Materialien, ver- sehen, um einen Betrieb unabhängig von der räumlichen
Orientierung bzw. eine räumlich unabhängige Arbeitsweise zu erreichen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Schaumstoff bzw. ein anderes Stützmaterial so um eine für den Brennstoff permeable bzw. semipermeable Membran-Durchflusseinrichtung angeordnet, dass die Vorrichtung unabhängig von ihrer physikalischen Orientierung betrieben werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird mindestens ein Filter im Brennstofftank und/oder im Einfluss- und/oder Ausflussbereich der Durchflussein- richtungen eingesetzt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Vorrichtung mit einer Wärmeisolation und/oder einer Heizung für den Brennstofftank versehen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Vorrichtung thermisch oder physikalisch mit der Brennstoffzelle verbunden. Es versteht sich von selbst, dass die er indungsgemäße Vorrichtung auch mit anderen Trägerkomponenten als Wasser, mit mehr oder weniger konzentriertem Brennstoff im Brennstofftank, mit Anodenzufuhrströmen be- liebiger Art und Flussgeschwindigkeit, mit für den Brennstoff permeablen oder semipermeablen Membranen aus beliebigen Materialien und/oder neben dem bereits erwähnten Methanol mit den verschiedensten Brennstoffen wie beispielsweise Ethanol betrieben oder verwen- det werden kann.
Gegenüber dem Stand der Technik weist die vorstehend beschriebene Brennstoffkonzentrationserhöhungsvor- richtung eine Reihe von Vorteilen auf :
• Mit Hilfe der Vorrichtung ist es möglich, Methanol in konzentrierter Form zu speichern, ohne das System zur Brennstoffzufuhr durch die Verwendung mehrerer Pumpen kompliziert zu gestal- ten. Dies reduziert das vom System benötigte Volumen und erhöht somit die Energiedichte des Systems. Das Brennstoffzufuhrsystem von flüssig- keitsbetriebenen Direktalkoholbrennstoffzellen wird somit einfacher, da für die Versorgung der Anode nur eine einzige Pumpe benötigt wird. Das Brennstoffzellensystem wird somit kompakter, einfacher in seinem Aufbau und auch preiswerter.
• Mit der vorgestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, Methanol auf einfache Art und Weise passiv zum Anodenzufuhrstrom des Brennstoff-Wassergemisches hinzuzufügen.
• Es werden weniger Energie verbrauchende Bestandteile im System benötigt.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Erhöhung der Konzentration eines Brennstoffes für eine Brennstoffzelle können, wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben, ausgeführt sein oder verwendet werden. Die zu den Beispielen gehörenden, im folgenden beschriebenen Figuren weisen für dieselben oder entsprechende Bestandteile bzw. Bauteile der Vorrichtung entsprechende Bezugszeichen auf.
Figur 1 zeigt schematisch einen einen Brennstoff enthaltenden Tank, durch den ein Kanal aus einer für den Brennstoff permeablen Membran führt .
Figur 2 skizziert die Erhöhung der Konzentration des Brennstoffes in der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung.
Figur 1 zeigt in dreidimensionaler Ansicht einen qua- derförmigen Tank 1, der mit konzentriertem Methanol gefüllt ist. Durch die linke Wand 1A des Tanks 1 ist ein Durchflusskanal 2 mit kreisförmigem Querschnitt in den Tank 1 hineingeführt . Die Wände des Durchflusskanals bestehen aus einer Membran aus DuPont™ Nafion®, einem Perfluorsulfonsäure/Polytetra- fluorethan Kopolymer in saurer (H+) Form. Die Zylin- derachse des zylinderförmigen Durchflusskanals 2 steht hierbei senkrecht auf der Wand 1A und senkrecht auf der rechten Wand 1B des Tanks 1, wobei durch letztere der Durchflusskanal 2 wieder aus dem Tank 1 hinausgeführt ist. Von links wird in den Durchflusskanal 2 eine Mischung aus Methanol und Wasser eingeleitet 3. Anschließend wird die Mischung nach Durchfließen des im Tank 1 gelegenen Abschnittes des Durchflusskanals 2 rechts aus dem Durchflusskanal 2 wieder' ausgeleitet 4. Die Wände des Durchflusskanals 2 bestehen aus einer für Methanol permeablen Membran. Der Quader stellt somit einen Methanolspeichertank 1 dar, der mit konzentriertem Methanol gefüllt ist. Im Kanal 2 wird der Anodenzufuhrstrom, eine Mischung aus Methanol und Wasser, geleitet. Die Wände aus einer für Methanol permeablen Membran erlauben es, dass Methanol vom Methanolspeichertank 1 in den Kanal 2 und somit in die Mischung aus Wasser und Methanol hineindiffundiert. Die Methanolkonzentration im Anodenzu- fuhrstrom wird hierdurch solange erhöht, wie der Zufuhrstrom durch den Methanoltank 1 fließt. Bei diesem Aufbau des Systems ist keine zweite Pumpe notwendig, es kann konzentriertes Methanol gespeichert werden, während zur selben Zeit der Anodenzufuhrstrom eine niedrigere Methanolkonzentration aufweist.
Figur 2 zeigt die Erhöhung der Methanolkonzentration während des Durchflusses einer Mischung aus Methanol und Wasser durch einen Kanal 2 mit kreisförmigem Querschnitt. Die Figur zeigt in zweidimensionaler
Darstellung einen Tank 1, in dreidimensionaler Andeutung den durch die linke Wand 1A und die rechte Wand 1B des Tanks 1 führenden Kanal 2, sowie die Einleitung 3 einer Mischung von Methanol und Wasser mit ei- ner geringen Methanolanfangskonzentration von links in den Kanal 2 und die Ausleitung 4 der Mischung aus Methanol und Wasser mit erhöhter Methanolkonzentration von rechts aus dem Kanal 2. Die Erhöhung der Methanolkonzentration 5 ist durch eine von links nach rechts zunehmende Grauschattierung des Kanalinneren skizziert. Die Diffusion von Methanol aus dem Tank in den Kanal ist durch Pfeile 6 gekennzeichnet. Figur 2 zeigt somit die Zunahme der Methanolkonzentration in der Mischung während diese in dem Bereich des Kanals 2 fließt, der sich im Inneren des Tanks 1 befindet. Die Diffusion von Methanol durch die für Methanol permeablen Membranwände des Kanals 2 erfolgt aufgrund des Konzentrationsunterschiedes des Methanols im Speichertank 1 und im Anodenzufuhrstrom im Kanal 2. Konzentriertes Methanol ist 24,6 molar (Mol Metha- nol/Liter) , der optimale Anodenzufuhrstrom weist eine 1 bis 2 molare Konzentration auf, d. h. ca. 1 Teil Methanol auf 20 Teile Wasser (Vol/Vol) . Der Transport durch die für Methanol permeable Membran hängt auch von der Temperatur, vom Druck und der Membrandicke ab. Somit wird die Methanolkonzentration des aus dem Kanal austretenden Stromes 4 der Mischung durch die genannten Eigenschaften zuzüglich der Strömungsgeschwindigkeit und der Länge des Kanals im gefüllten Tank bzw. dem Bereich der Membran, der dem im Tank befindlichen Methanol ausgesetzt wird, bestimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffkonzentrationserhδhungsvorrichtung zur Erhöhung der Konzentration (5) eines Brennstoffes in einer flüssigen Mischung aus einem Brennstoff und einer Trägerkomponente mit mindestens einer Brennstoffspeichervorrich- tung (1) in der der Brennstoff speicherbar ist und mit mindestens einer Durchflusseinrichtung (2) , welche zumindest teilweise in der Brennstoffspeiehervorrichtung (1) angeordnet ist, zur Durchleitung der Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente durch die Brennstoffspeicher- vorrichtung (1) , wobei die Durchflusseinrichtung (2) mindestens eine für den Brennstoff, nicht jedoch für die Trägerkomponente permeable oder semipermeable Membran enthält oder aus einer solchen Membran besteht, so dass aufgrund der Transporteigenschaften der Membran Brennstoff der flüssigen Mischung aus dem Brennstoff und der Trägerkomponente passiv hinzusetzbar ist.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung an einer Brennstoffzelle angeordnet ist und/oder eine Brennstoffaustauschverbindung zum Austausch von der Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente mit einer Brennstoffzelle aufweist.
3. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine Direktmethanolbrennstoffzelle ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kathode der Brennstoffzelle produziertes Wasser in die Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente einkoppelbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Vorrichtung eine Heizvorrichtung angeordnet ist, zum Heizen von in der Brennstoffspei- chervorrichtung (1) gespeichertem Brennstoff und/oder von der Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente und/oder dass die Vorrichtung thermisch oder physikalisch mit einer Brennstoffzelle verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeisolierung in die Brennstoffspeicher- vorrichtung (1) integriert oder an ihr angeord- net ist.
7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung Isoliermaterial enthält oder daraus besteht und/oder dass die Wärmeisolierung Wände samt einem dazwischen liegenden Vakuum aufweist .
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Trägerkomponente und Brennstoff mehr als einmal durch die Durchflusseinrichtung (2) durchleitbar ist zur mehrfachen Erhöhung der Konzentration (5) des Brennstoffes in der Mischung.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffspeichervorrichtung (1) ein Behältnis und/oder einen Tank enthält oder daraus besteht .
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffspeichervorrichtung (1) Brennstoff in reiner oder in konzentrierter Form enthält .
11. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzei chnet, dass die Brennstoffspeichervorrichtung (1) Brennstoff in einer Trägerkomponente enthält, wobei der Brennstoff in 50 bis 100 prozentiger, bevorzugt in 75 bis 100 prozentiger Konzentration vorliegt .
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffspeichervorrichtung (1) mindestens eine Stützvorrichtung und/oder Stabilisierungsvorrichtung angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der angeordneten Stütz- oder Stabilisierungsvorrichtungen Schaumstoff enthält oder daraus besteht .
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran ein Perfluorsulfonsäure/Polytetra- fluorethylen Copolymer in saurer (H+) Form enthält oder daraus besteht .
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate für die Mischung aus Trägerkomponente und Brennstoff durch die Durchfluss- einrichtung (2) eine Größenordnung im Bereich von 0,1 ml/min bis 1000 ml/min, bevorzugt 1 ml/min bis 100 ml/min, aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stützvorrichtung an oder um die Durchfluss- einrichtung (2) angeordnet ist, zur Erreichung einer beliebigen räumlichen Orientierung der Durchflusseinrichtung (2) .
17. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützvorrichtung Schaumstoff enthält oder daraus besteht .
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusseinrichtung (2) mindestens einen Kanal enthält oder daraus besteht .
19. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , dass der Kanal einen kreisförmigen Querschnitt auf- weist.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in der Durchflusseinrichtung (2) mindestens ein Filter angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerkomponente und/oder der Brennstoff ei- ne Flüssigkeit enthält oder daraus besteht .
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerkomponente Wasser, Wasserdampf und/oder eine Mischung hiervon mit weiteren Stoffen enthält oder daraus besteht.
23. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerkomponente des weiteren eine Säure, bevorzugt Schwefelsäure, enthält.
24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff einen Alkohol enthält oder daraus besteht.
25. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff Methanol und/oder Ethanol enthält oder daraus besteht .
26. Brennstoffkonzentrationserhδhungsverfahren zur Erhöhung der Konzentration eines Brennstoffes in einer flüssigen Mischung aus einem Brennstoff und einer Trägerkomponente, wobei mindestens eine Durchflusseinrichtung (2) zumindest teilweise in einem mit Brennstoff ge- füllten Volumen angeordnet wird und wobei die Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente durch die mindestens eine für den Brennstoff, nicht jedoch für die Trägerkomponente permeable oder semipermeable Membran enthaltende oder aus ihr bestehende Durchflusseinrichtung (2) hindurchgeleitet wird, so dass aufgrund der Transporteigenschaften der Membran Brennstoff aus dem Volumen der Mischung aus dem Brennstoff und der Trägerkomponente passiv hinzugesetzt wird.
27. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 verwendet wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente mehr als einmal durch die Durchflusseinrichtung (2) hindurchgeleitet wird, zur mehrfachen Erhöhung der Konzentration des Brennstoffes in der Mischung.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente nach der Erhöhung der Konzentration der Anode einer Brennstoffzelle zugeleitet wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kathode einer Brennstoffzelle produziertes Wasser wieder verwendet wird, indem es in die Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente eingeleitet wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet , dass der Brennstoff und/oder die Mischung aus Brennstoff und Trägerkomponente und/oder die Trägerkomponente geheizt werden.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet , dass die Mischung aus Trägerkomponente und Brennstoff vor und/oder nach dem Durchleiten durch die Durchflusseinrichtung (2) gefiltert wird.
33. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Modifizierung des Brennstoffzufuhrstroms der Anode einer Brennstoffzelle.
34. Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch für Direktmethanolbrennstoffzellen.
35. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 26 bis 32 zur Modifizierung des Brenn- stoffzufuhrstroms der Anode einer Brennstoffzelle.
36. Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch für Direktmethanolbrennstoffzellen.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100918309B1 (ko) 2005-11-01 2009-09-18 주식회사 엘지화학 안정한 구조의 직접 메탄올 연료전지용 물 조절기 시스템
DE102007050616B3 (de) * 2007-10-23 2009-04-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Passive Verdünnungseinheit zur Verdünnung von Brennstoffen

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US127141A (en) * 1872-05-28 Improvement in compounds for destroying insects
BE793624A (fr) * 1972-01-10 1973-05-02 Baxter Laboratories Inc Dispositif pour le transfert de masses, presentant une membrane de diffision tubulaire enroulee
US3833016A (en) * 1973-01-02 1974-09-03 Meloy Labor Inc Apparatus for precisely controlled dilution of fluid samples
JPS60189174A (ja) * 1984-03-07 1985-09-26 Hitachi Ltd 燃料電池
JPS63245868A (ja) * 1987-03-31 1988-10-12 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd アノライト循環型液体燃料電池
JP2773134B2 (ja) * 1988-05-30 1998-07-09 三菱電機株式会社 燃料電池
WO1994020207A1 (en) * 1993-03-02 1994-09-15 Sri International Exothermic process with porous means to control reaction rate and exothermic heat
US5599638A (en) * 1993-10-12 1997-02-04 California Institute Of Technology Aqueous liquid feed organic fuel cell using solid polymer electrolyte membrane
US5773162A (en) * 1993-10-12 1998-06-30 California Institute Of Technology Direct methanol feed fuel cell and system
US6444343B1 (en) * 1996-11-18 2002-09-03 University Of Southern California Polymer electrolyte membranes for use in fuel cells
WO2001075999A1 (en) * 2000-03-30 2001-10-11 Manhattan Scientifics, Inc. Diffusion fuel ampoules for fuel cells
DE10040084A1 (de) * 2000-08-16 2002-03-07 Siemens Ag Verfahren zur Mischung von Brennstoff in Wasser, zugehörige Vorrichtung und Verwendung dieser Vorrichtung
US6824899B2 (en) * 2000-11-22 2004-11-30 Mti Microfuel Cells, Inc. Apparatus and methods for sensor-less optimization of methanol concentration in a direct methanol fuel cell system
US6660423B2 (en) * 2000-12-15 2003-12-09 Motorola, Inc. Direct methanol fuel cell including a water management system and method of fabrication
US6460733B2 (en) * 2001-02-20 2002-10-08 Mti Microfuel Cells, Inc. Multiple-walled fuel container and delivery system
US20030003336A1 (en) * 2001-06-28 2003-01-02 Colbow Kevin Michael Method and apparatus for adjusting the temperature of a fuel cell by facilitating methanol crossover and combustion
JP2003132924A (ja) * 2001-10-30 2003-05-09 Yuasa Corp 直接メタノール形燃料電池システム
US6890674B2 (en) * 2002-02-19 2005-05-10 Mti Microfuel Cells, Inc. Methods and apparatuses for managing fluids in a fuel cell system
ITPG20020013A1 (it) * 2002-03-13 2003-09-15 Fuma Tech Membrane a conduzione protonica contenenti fosfato di zirconio o fosfati solfoarilenfosfonati di zirconio dispersi in una matrice polimerica
JP4446422B2 (ja) * 2002-03-13 2010-04-07 株式会社豊田中央研究所 燃料電池用電極構造体およびそれを用いた固体高分子型燃料電池
US7393369B2 (en) * 2002-06-11 2008-07-01 Trulite, Inc. Apparatus, system, and method for generating hydrogen
DE60305495T2 (de) * 2002-06-28 2006-12-28 Williams Advanced Materials Inc. Korrosionsbeständige silbermetalllegierungen für optisches aufzeichnen und beschreibbare optische aufzeichnungsmedien welche diese legierung enthalten
DE10230342C1 (de) * 2002-07-05 2003-10-30 Daimler Chrysler Ag Membranmodul zur Wasserstoffabtrennung
JP4175983B2 (ja) * 2003-09-12 2008-11-05 三洋電機株式会社 燃料電池システム
KR100528340B1 (ko) * 2003-10-01 2005-11-15 삼성에스디아이 주식회사 액체연료 혼합장치 및 이를 적용한 직접액체연료 전지

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2005039748A1 *

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Publication number Publication date
DE10348879A1 (de) 2005-06-16
WO2005039748A1 (de) 2005-05-06
US20070125696A1 (en) 2007-06-07
DE10348879B4 (de) 2007-06-06
KR20060092246A (ko) 2006-08-22
JP2007509472A (ja) 2007-04-12

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