WO2006105751A1 - Niedertemperatur-brennstoffzelle sowie verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Niedertemperatur-brennstoffzelle sowie verfahren zum betreiben derselben Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a low-temperature fuel cell and method for operating the same.
  • Fuel cell stacks according to the prior art usually have a central resource feed. From this, the individual cells are supplied via supply lines.
  • the equipment is usually distributed as uniformly as possible via channels in the bipolar plate or via network structures over the surface of the membrane-electrode assembly (MEA).
  • the devices known from the prior art have disadvantages in that the desired equal distribution of the operating materials over a single cell can often not be realized satisfactorily.
  • formed water droplets, gas bubbles and manufacturing inaccuracies regularly lead to a sub-supply of individual areas of a fuel cell.
  • the bipolar plates have distribution structures in order to distribute the operating medium, in particular the fuel, over the surface of the membrane-electrode unit.
  • these bipolar plates have an inlet and an outlet, between which a depletion of the fuels takes place.
  • a design of bipolar plates is known, are provided in the additional holes for intermediate feed of fuels.
  • precise and rapid control of methanol concentration across the membrane-electrode assembly is required to maximize efficiency and output.
  • the object of the invention is to provide a method by means of which the setting of defined concentrations of methanol within a single fuel cell is possible. Furthermore, it is the object of the invention to provide a corresponding device for carrying out the method.
  • the invention relates to a method by means of which it is possible to set a defined concentration of fuel at certain points in a low-temperature fuel cell.
  • sensors are arranged at various locations within the fuel cell, which are able to reproduce information about the concentration of the fuel, or about the temperature at these locations.
  • This information serves as a control element for one or more metering devices, which at certain points of the fuel cell are arranged.
  • controllable valves, controllable piezo pumps or thermally controllable feeds are suitable as metering devices.
  • the dosing process can be carried out, for example, similar to a bubble-jet process, for. B. as in inkjet printers.
  • a dosing device functioning in this way is meant in the context of this invention with a thermally controllable feed.
  • the metering devices are each connected to a supply or storage device which is filled with fuel.
  • This supply or storage device may in particular be a further fuel line, which opens, for example, in a reservoir.
  • a low-temperature fuel cell these are supplied to the operating materials via the usual supply line.
  • the sensors each determine the local concentrations of fuel or the corresponding temperatures. If a sensor determines a deviation from a previously defined desired value, this leads to a control of a dosing unit which is assigned to this sensor and is advantageously arranged in spatial proximity to it.
  • An undersupply of fuel which results in a lower concentration relative to the setpoint at a sensor, leads to a control of the corresponding dosing unit, which then additionally fuel to them Place fed.
  • the dosage itself can be done according to conventional control algorithms. It is conceivable both a pulsed metering or else a continuous metering until the sensor detects a signal which corresponds to the predetermined target value. This stops the dosing unit. It is also conceivable, however, a scheme that works instead of a predetermined setpoint with multiple limits.
  • the dosage is advantageously carried out with concentrated fuel, d. H. in a methanol-water fuel cell, in particular with highly concentrated or even pure methanol.
  • the low-temperature fuel cell according to the invention has, in addition to the usual supply of resources, at least one further supply or storage device for a liquid operating medium, in particular a liquid fuel.
  • This device may, for example, be a further feed line, which is fed in particular with a fuel of higher concentration.
  • the new concept for the bipolar plates used in the invention of a direct methanol fuel cell provides the following technical features: ⁇
  • the bipolar plate has an internal space for
  • the liquid resources are in particular methanol or a highly concentrated methanol solution
  • the inner space is connected at several points with dosing with the membrane electrode surface; ⁇ the dosing devices can be controlled separately;
  • the metering devices are, in particular, piezo pumps or thermally controlled feeds or correspondingly controlled valves, - the valves or pumps are controlled by a controller which combines information about the load and operating status of the cell.
  • the concentrations of fuel within a cell can advantageously be adjusted spatially resolved.
  • further devices are integrated in the bipolar plate.
  • the bipolar plate has sensors;
  • the sensors measure local concentrations and / or current densities and / or temperatures
  • the sensors are in contact with the control of the individual control devices.
  • the aforementioned construction of the plate can also be used advantageously on the cathode side of a PEFC, with water being used as the liquid medium for humidification purposes.
  • FIG. 1 shows the state of the art for the distribution of a resource via the MEA of a fuel cell.
  • the distribution is here indicated by individual arrows. indicated.
  • the central inlet E and outlet A are also marked by arrows.
  • the distribution shown here results regularly in an opposite supply and discharge of the equipment and a distribution over a network. For example, meandering channels in the bipolar
  • FIG. 2 shows the improvement of the adjustment of the local concentration of the operating medium by the additional feed of a working medium, in particular of a highly concentrated operating medium such as, for example, pure methanol, via the metering devices D 1 to D n .
  • the metering devices are connected to one or more additional supply or storage devices for a liquid operating medium and are supplied with the operating medium.
  • the supply or storage device may, for example, be a further channel and / or a cavity (reservoir) lying in the plate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit einer besonderen Vorrichtung zur Betriebsmitteleinspeisung. Die Niedertemperatur-Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine weitere Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtung für ein flüssiges Betriebsmittel aufweist, und dass sie mehrere separat ansteuerbare Dosiereinrichtungen umfasst, die benachbart zur MEA der Niedertemperatur-Brennstoffzelle angeordnet sind. Die Dosiereinrichtungen sind mit wenigstens einer der weiteren Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtungen verbunden. Als Dosiereinrichtung sind steuerbare Ventile, steuerbare Piezopumpen oder thermisch steuerbare Einspeisung geeignet. Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle bzw. ein Verfahren zum Betreiben derselben, mit dessen Hilfe es vorteilhaft möglich wird, an bestimmten Stellen in einer Brennstoffzelle eine definierte Konzentration an Brennstoff einzustellen.

Description

Beschreibung
NIEDERTEMPERATUR-BRENNSTOFFZELLE SOWIE VERFAHREN ZUM BETREIBEN DERSELBEN
Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle sowie Verfahren zum Betreiben derselben.
Stand der Technik
Brennstoffzellstapel nach dem Stand der Technik verfügen üblicherweise über eine zentrale Betriebsmitteleinspeisung. Von dieser aus werden die einzelnen Zellen über Zuleitungen versorgt. Das Betriebsmittel wird in der Regel über Kanäle in der Bipolarplatte oder über Netzstrukturen über die Fläche der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) möglichst gleichförmig verteilt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen weisen jedoch Nachteile dahingehend auf, dass die angestrebte Gleichverteilung der Betriebsstoffe über eine einzelne Zelle häufig nicht zufriedenstellend realisiert werden kann. Insbesondere gebildete Wassertropfen, Gasblasen und Ferti- gungsungenauigkeiten führen regelmäßig zu einer Unterver- sorgung einzelner Bereiche einer Brennstoffzelle.
Innerhalb einer Brennstoffzelle weisen die Bipolarplatten Verteilungsstrukturen auf, um die Betriebsmittel, insbesondere den Brennstoff über die Fläche der Membran-Elektroden- Einheit zu verteilen. Typischerweise verfügen diese bipolaren Platten über einen Einlass und einen Auslass, zwischen denen eine Abreicherung der Brennstoffe erfolgt . Aus der Literatur ist auch eine Gestaltung von Bipolarplatten bekannt, bei der zusätzliche Bohrungen zur Zwischeneinspeisung von Brennstoffen vorgesehen sind. Gerade bei Direkt-Methanol-Brennstoffzellen ist jedoch eine präzise und schnelle Steuerung der Methanolkonzentration über die Membran-Elektroden-Einheit erforderlich, um den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe zu maximieren.
Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dessen Hilfe die Einstellung von definierten Konzentrationen an Methanol innerhalb einer einzelnen Brennstoffzelle möglich ist. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch, sowie durch ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Niedertemperatur-Brennstoffzelle finden sich in den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen wieder.
Gegenstand der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dessen Hilfe es möglich wird, an bestimmten Stellen in einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle eine definierte Konzentration an Brennstoff einzustellen.
Dazu sind an verschiedenen Stellen innerhalb der Brennstoffzelle Sensoren angeordnet, die in der Lage sind, Informationen über die Konzentration des Brennstoffs, bzw. über die Temperatur an diesen Stellen wiederzugeben. Diese Informationen dienen als Regelglied für eine oder mehrere Dosier- einrichtungen, die an bestimmten Stellen der Brennstoffzelle angeordnet sind. Als Dosiereinrichtungen sind insbesondere steuerbare Ventile, steuerbare Piezopumpen oder thermisch steuerbare Einspeisungen geeignet .
Für die Dosiereinrichtungen kann auf herkömmliche Mittel zurückgegriffen werden. Das Verfahren zur Dosierung kann beispielsweise ähnlich wie bei einem Bubble-Jet Verfahren erfolgen, z. B. wie bei Tintenstrahldruckern. Hier gibt es im Wesentlichen zwei unterschiedliche Verfahren, um ein Tin- tentröpfchen zu erzeugen: 1. Piezopumpen oder 2. Pumpen, in denen ein Teil der Tinte über einen kurzzeitigen hohen Energieeintrag verdampft werden und so die Tinte aus dem Düsenkopf austreiben. Eine auf diese Art funktionierende Dosiereinrichtung ist im Rahmen dieser Erfindung mit einer ther- misch steuerbaren Einspeisung gemeint.
Die Dosiereinrichtungen sind jeweils an eine Zuführung- bzw. Speicherungseinrichtung angeschlossen, die mit Brennstoff gefüllt ist. Diese Zuführungs- bzw. Speicherungsvorrichtung kann insbesondere eine weitere Brennstoffleitung sein, die beispielsweise in einem Reservoir mündet.
Während des Betriebs einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle werden dieser über die übliche Zuführungsleitung die Be- triebsstoffe zugeführt. Die Sensoren ermitteln jeweils die lokalen Konzentrationen an Brennstoff, bzw. die entsprechenden Temperaturen. Ermittelt ein Sensor eine Abweichung von einem vorher definierten Sollwert führt dies zu einer Steuerung einer Dosiereinheit, die diesem Sensor zugeordnet ist, und vorteilhaft in räumlicher Nähe zu diesem angeordnet ist. Eine Unterversorgung mit Brennstoff, die sich in einer geringeren Konzentration bezogen auf den Sollwert an einem Sensor ergibt, führt zu einer Ansteuerung der entsprechenden Dosiereinheit, die daraufhin zusätzlich Brennstoff an diese Stelle einspeist.
Die Dosierung selbst kann nach herkömmlichen Regelalgorithmen erfolgen. Denkbar ist sowohl eine pulsweise Zudosierung oder aber auch eine kontinuierliche Zudosierung, bis der Sensor ein Signal ermittelt, welches dem vorgegebenen Sollwert entspricht . Dadurch wird die Dosiereinheit gestoppt . Denkbar ist aber auch eine Regelung, die anstelle eines vorgegebenen Sollwertes mit mehreren Grenzwerten arbeitet . Die Dosierung erfolgt dabei vorteilhaft mit konzentriertem Brennstoff, d. h. bei einer Methanol-Wasser-Brennstoffzelle insbesondere mit hochkonzentriertem oder sogar reinem Methanol .
Die erfindungsgemäße Niedertemperatur-Brennstoffzelle weist zusätzlich zur üblichen Zuführung von Betriebsmitteln wenigstens eine weitere Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtung für ein flüssiges Betriebsmittel, insbesondere einen flüssigen Brennstoff auf. Diese Einrichtung kann beispielsweise eine weitere ZuführungsIeitung sein, die insbesondere mit einem höher konzentrierten Brennstoff gespeist wird.
Das neue Konzept für die im Rahmen der Erfindung eingesetzten Bipolarplatten einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle sieht folgende technische Merkmale vor: ♦ die Bipolarplatte verfügt über einen inneren Raum zur
Speicherung eines flüssigen Betriebsstoffes, insbesondere über eine weitere Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtung für ein flüssiges Betriebsmittel;
♦ bei den flüssigen Betriebsmitteln handelt es sich insbesondere um Methanol oder eine hochkonzentrierte Methanollösung;
♦ der innere Raum ist an mehreren Stellen mit Dosiereinrichtungen mit der Membran-Elektrodenfläche verbunden; ♦ die Dosiereinrichtungen sind separat ansteuerbar;
♦ bei den Dosiereinrichtungen handelt es sich insbesondere um Piezopumpen oder um thermisch gesteuerte Einspeisungen oder um entsprechend gesteuerte Ventile,- ♦ die Ventile oder Pumpen sind durch eine Steuerung, die Informationen über den Last- und Betriebszustand der Zelle zusammenführt, gesteuert.
Mit diesen grundsätzlichen technischen Merkmalen lassen sich vorteilhaft ortsaufgelöst die Konzentrationen an Brennstoff innerhalb einer Zelle einstellen.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen sind in die bipolare Platte weitere Einrichtungen integriert . ♦ die Bipolarplatte verfügt über Sensoren;
♦ die Sensoren messen lokale Konzentrationen und/oder Stromdichten und/oder Temperaturen;
♦ die Sensoren sind mit der Steuerung der einzelnen Regeleinrichtungen kontaktiert .
Der vorgenannte Aufbau der Platte lässt sich auch vorteilhaft auf der Kathodenseite einer PEFC einsetzen, wobei als flüssiges Medium Wasser zu Befeuchtungszwecken zum Einsatz kommt .
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.
In Figur 1 ist der Stand der Technik für die Verteilung eines Betriebsmittels über die MEA einer Brennstoffzelle gezeigt. Die Verteilung ist hier durch einzelne Pfeile ange- deutet. Der zentrale Einlass E und Auslass A sind ebenfalls durch Pfeile markiert. Die hier gezeigte Verteilung ergibt sich regelmäßig bei einer gegenständigen Zu- und Abführung des Betriebsmittels und einer Verteilung über ein Netz. Bei beispielsweise mäanderförmigen Kanälen in der bipolaren
Platte würden sich entsprechend mäanderförmige Verteilungen ergeben.
Die Figur 2 zeigt demgegenüber die Verbesserung der Ein- Stellung der lokalen Konzentration des Betriebsmittels, durch die zusätzliche Einspeisung eines Betriebsmittels, insbesondere eines hoch konzentrierten Betriebsmittels wie beispielsweise reines Methanol, über die Dosiereinrichtungen D1 bis Dn. Die Dosiereinrichtungen sind mit einer oder mehreren zusätzlichen Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtungen für ein flüssiges Betriebsmittel verbunden und werden darüber mit dem Betriebsmittel versorgt . Die Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtung kann beispielsweise ein weiterer Kanal und/oder auch ein in der Platte liegender Hohlraum (Reservoir) sein.

Claims

Patentansprüche
1. Niedertemperatur-Brennstoffzelle, die wenigstens eine Zuführung, einen Auslass und eine Verteilerstruktur für ein Betriebsmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle wenigstens eine weitere Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtung aufweist, die mehrere separat ansteuerbare Dosiereinrichtungen zur zusätzlichen Einspeisung einer Flüssigkeit in diese Verteilerstruktur umfasst, und die benachbart zur
Membran-Elektroden-Einheit der Niedertemperatur- Brennstoffzelle angeordnet sind.
2. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch 1, mit wenigstens einem steuerbaren Ventil, einer steuerbaren Piezopumpe oder einer thermisch steuerbaren Einspeisung als Dosiereinrichtung.
3. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der
Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Dosiereinrichtungen in einer Bipolarplatte integriert vorliegen.
4. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, mit einer Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtungen zur Zuführung von Methanol oder einer hochkonzentrierten Methanollösung .
5. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, mit einer Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtungen zur
Zuführung von Wasser.
6. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Dosiereinrichtungen mit Sensoren verbunden sind.
7. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach Anspruch 6 mit Sensoren, die die Konzentration eines Betriebsmittels und/oder die Zellspannung und/oder die Temperatur zu messen vermögen.
8. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der
Ansprüche 5 bis 6, mit Sensoren als Regeleinrichtung für die Dosiereinrichtungen.
9. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, mit einer weiteren Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtung und mit mehreren separat ansteuerbaren Dosiereinrichtungen für einen Brennstoff auf der Anodenseite.
10. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, mit einer weiteren Zuführungs- bzw. Speicherungseinrichtung und mit mehreren separat ansteuerbaren Dosiereinrichtungen für Wasser auf der Kathodenseite .
11. Verfahren zum Betreiben einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten über die separat ansteuerbaren Dosiereinrichtungen wird der MEA gezielt eine Flüssigkeit zugeführt.
12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem Methanol oder eine hochkonzentrierte Methanollösung als Flüssigkeit zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 9 bis 10, bei dem die separat ansteuerbaren Dosiereinrichtungen über Sensoren, die die Konzentration eines Betriebsmittels und/oder die
Zellspannung und/oder die Temperatur zu messen vermögen, separat gesteuert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, bei dem jede Dosiereinrichtung über einen jeweils benachbart angeordneten Sensor separat gesteuert wird.
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