Direkt-Methanol-Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellensystem (DMPC) , sowie ein geeignetes Verfahren zum Betreiben dieses Systems .

Stand der Technik

Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-FC) sind die zur Zeit am weitesten entwickelten Brennstoffzellen. Sie weisen eine kompakte Bauweise auf und erzielen ein gutes Energie/Gewichtsverhältnis. Die Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle arbeitet bei moderaten Temperaturen um 80 ⁰ C. Der Wirkungsgrad beträgt annähernd 50 Prozent.

Nachteilig beim Betrieb einer Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle ist, dass reiner Wasserstoff als Brenngas benötigt wird, der bei der Lagerung und Speicherung den Umgang mit komprimierten oder sehr kalten, verflüssigten Gasen erforderlich macht. Zudem wird reiner Wasserstoff benötigt. Die Toleranz für Vergiftungen mit Schwefel und/oder Kohlen- monoxid ist sehr gering.

Bislang gibt es mehrere Methoden hochreinen Wasserstoff für den Betrieb einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle bereit zu stellen. Dazu gehören insbesondere die Dampfrefor- mierung von Erdgas und die Reformierung eines bei Raumtemperatur flüssigen Brennstoffs, wie beispielsweise Methanol.

Als Alternative zu mit Wasserstoff betriebenen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen werden auch die sogenannten Direkt-Alkohol-Brennstoffzellen untersucht. Diese verwenden

einen bei Raumtemperatur flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, welches in der Brennstoffzelle direkt, das heißt ohne vorherige Reformation, elektrochemisch umgesetzt wird.

Die Vorteile der Direkt—Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) gegenüber der reinen wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle sind insbesondere das geringe Systemvolumen und -gewicht, das einfache Design, eine einfache Betriebsweise mit schnel- lern Ansprechverhalten sowie geringe Investitions- und Betriebskosten. Nachteilig werden bei der Direkt—Methanol- Brennstoffzelle derzeit noch deutlich geringere Wirkungsgrade als bei einer mit Wasserstoff betriebenen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle erzielt .

Jedoch reicht die Technologie dieser Direkt—Methanol-Brennstoffzellen bislang noch nicht für den Einsatz in kleinen, mobilen Systemen, wie beispielsweise in Labtops, APUs, Notstromaggregaten oder in Kleinfahrzeugen wie einem Scooter aus. Hierzu sind in der Regel ein hochkomplexer Systemaufbau, der jedoch flüssigkeitsdicht ausgestaltet sein muss, sowie eine sehr hohe Leistungsdynamik erforderlich.

Ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstapel weist in der Re- gel ein anodenseitiges System aus Methanoleinspeisung, Anodenraum, CO ₂ -Abscheider, Umwälzpumpe sowie entsprechende Verbindungsleitungen auf. Bisherige DMFC-Systeme verschalten diese Einzelkomponenten bislang einzeln durch geeignete Rohrleitungen oder Kanäle. Dadurch kommt es zu einer großen Anzahl an extern verschalteten Komponenten, die dementsprechend ein relativ großes Bauvolumen einnehmen. Ferner können lange Rohrleitungen und entsprechend lange Strömungswege nachteilig zu einer langen Ansprechzeit des Systems auf eine Änderung der Methanolzugäbe führen. Neben entsprechend hohen Investitionskosten für die vielen externen Bauteile kommt es

auch zu erheblichen Wärmeverlusten durch die vielen Einzelkomponenten.

Aufgabe und Losung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellensystem (DMFC) zu schaffen, das eine sehr kompakte Bauweise aufweist, flüssigkeitsdicht ausgestaltet ist und zudem eine hohe Leitungsdichte aufweist . Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben dieses vorgenannten Brennstoffzellensystems bereit zu stellen.

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch, sowie durch ein Verfahren zum Betreiben dieses Brennstoffzellensystems gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungen des Brennstoffzellensystems und des Verfahrens finden sich in den darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein neuartiges integriertes System für ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellensystem. Dabei sind insbesondere die anodenseitigen Systembe- standteile eines Brennstoffzellensystems wie die Methanoleinspeisung, der Anodenraum, der CO ₂ -Abscheider, die Umwälzpumpe sowie entsprechende Verbindungsleitungen nicht außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet, sondern vorteilhaft in diesem integriert .

In einer ausgewählten Ausführung wird das integrierte System mittig zwischen zwei Brennstoffzellenstapelhälften eingebaut. Damit verkürzen sich einerseits die notwendigen Zuleitungen und die entsprechenden Strömungsverhältnisse können verbessert werden. Zudem lässt sich die Wärmeentwicklung

innerhalb des BrennstoffZellensystems besser managen. Das integrierte System umfasst einen elektrisch gut leitfähigen Block, der zwischen den Brennstoffzellenstapelhälften angeordnet und mit diesen verspannt ist. Der Block enthält die Systemkomponenten wie Umwälzpumpe und CO ₂ -Abscheider und ist Teil des Anodenraumes und der notwendigen anodenseitigen Zu- und Ableitungen.

Die an die Brennstoffzellenstapelhälften angrenzenden Kon- taktflächen des integrierten Blocks sind vorteilhaft derart ausgebildet, dass sie einen geringen Übergangswiderstand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Dies kann zum Beispiel durch eine Goldbeschichtung der Kontaktflächen des integrierten Systems erzielt werden.

Durch diese erfindungsgemäße integrierte Anordnung des Systemblocks zwischen den Stapelhälften wird nur wenig Bauraum benötigt. Vorteilhaft sind die Strömungswege kurz und die Wärmeverluste durch einzelne Komponenten können deutlich reduziert werden.

Spezieller Besehreibungsteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.

Die Figur 1 zeigt einen Prototyp, bei dem der Einbau des erfindungsgemäßen integrierten Systems zwischen zwei Hälften eines DMFC-Brennstoffzellenstapels vorgenommen wurde. Auf beiden Seiten des integrierten Systems sind jeweils 50 Einzelzellen angeordnet, die insgesamt zu einem Stapel zusam- mengefasst sind. Der gesamte Stapel inklusive des integrierten Systemblocks wird mit Hilfe von Zugankern zur Abdichtung

der Strömungskanäle verspannt. Die in der Figur 1 eingezeichneten grauen Pfeile deuten die Hauptströmungsrichtungen des Anodengemisches an. Im unteren Teil des integrierten Systems fördert die im Zentrum eingebaute Umwälzpumpe die Flüssigkeit parallel zu den Zellflächen in beide Richtungen nach außen. Am Ende des Bodenteils wird die Flüssigkeit jeweils in zwei Teilströme aufgeteilt, die nach rechts und links in den Verteilerkanal der jeweiligen Stapelhälfte fließen. In den oben liegenden Sammelkanälen der Stapelhälf- ten wird das Anodengemisch aus den Zellen gesammelt und dem integrierten System zugeführt. Nach der Zusammenführung der Teilströme tritt das Gemisch, welches durch die Anodenreaktion nun mit zusätzlichem Kohlendioxid angereichert ist, in die zwei CO ₂ -Abscheider.

In der Figur 2 ist der Aufbau des integrierten Systems nochmals verdeutlicht. Das integrierte System besteht aus einem elektrisch gut leitfähigen Block. Dieser kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein, wobei für die Kontaktflächen eine entsprechende Beschichtung vorgesehen ist. Alternativ kann der Block auch aus Kunststoff hergestellt sein. Dies ist fertigungstechnisch sehr kostengünstig zum Beispiel durch Spritzgießen zu realisieren. Der Kunststoffblock muss dann noch mit einem Strom leitenden Material um- oder durch- zogen werden.

In diesem Block sind Öffnungen für den Einbau einer Umwälzpumpe und wenigstens eines CO ₂ -Abscheiders vorgesehen. Den oberen und unteren Abschluss bilden ein Deckel und ein Bo- denteil. Der Deckel dient unter anderem dem Spritzschutz.

Die im Deckel angeordneten Bohrungen erlauben eine gezielte Abfuhr des Anodenabgases . Im Bodenteil sind vorteilhaft die Zu- und Abfuhrleitungen für die Umwälzpumpe eingearbeitet. Ferner sind wenigstens ein Ausgleichsbehälter bzw. Pufferbe- hälter für das Anodengemisch sowie ein Anschlussstück zwi-

sehen den Sammelkanälen des Stapels und dem CO ₂ -Abscheider vorgesehen. Diese können optional seitlich am Hauptteil befestigt werden, und werden gegebenenfalls benötigt, sofern das Flüssigkeitsniveau im Anodensystem im Anfahrmodus sowie bei Maximallast des Brennstoffzellenstapels durch die unterschiedliche Gasentwicklung zu sehr schwankt. In den Figuren 3 und 4 wird nochmals der vereinfachte erfinderische Systemaufbau für einen Direkt-Methanol-Brennstoff- zellenstapel deutlich.

Legende zu Figur 3 :

Al DMFC-Stapel

Bl CO ₂ -Abscheider

B2 Methanoltank

B3 Tropfenabscheider

B4 Tropfenabscheider

Gl Kathodengebläse

Pl Umwälzpumpe

P2 Dosierpumpe

P3 Kondensatpumpe

WTl Anodenkühler

WT2 Wärme- und Stoffübertrager

Gemäß dem Stand der Technik wird in Figur 3 auf der Kathodenseite das Oxidationsmittel über ein Gebläse in einem Wärme- und Stoffübertrager vorgewärmt und vorbefeuchtet und anschließend dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Das abge- reicherte Oxidationsmittel wird über Tropfenabscheider vom überschüssigen flüssigen Wasser getrennt. Die Abwärme sowie die Gasfeuchte wird zum Vorwärmen und Vorbefeuchten des frischen Oxidationsmittels genutzt.

Auf der Anodenseite wird Methanol, bzw. ein Methanol/Wassergemisch, über einen Wärmeübertrager den Anoden zugeführt. Die abgereicherte Methanollösung wird aus dem Brennstoffzellenstapel geleitet, in einem CO ₂ -Abscheider vom gasförmigen Anteil befreit und bei Bedarf mit hochkonzentriertem Methanol angereichert, bevor es wieder in den Stapel zurück-

fließt. Die Abwärme des Brennstoffzellenstapels muss bei diesem Konzept vor Eintritt in den BrennstoffZellenstapel weitgehend mit Hilfe eines anodenseitigen Kühlers abgeführt werden.

Legende zu Figur 4 :

Al DMFC-Stapel

Bl CO ₂ -Abscheider

B2 Methanoltank

B3 Wassertank

Gl Kathodengebläse

G2 Kondensatorlüfter

Pl Umwälzpumpe

P2 Dosierpumpe

P3 Kondensatpumpe

WTl Kondensator

In Figur 4 ist nun der vereinfachte Systemaufbau eines Brennstoffzellenstapels zu sehen. Das System kommt vorteil- haft mit nur einem kathodenseitigen Wärmeübertrager aus und verzichtet zudem auf externe Tropfenabscheider. Der Wärmeübertrager erfüllt hierbei die Funktion eines Kondensators und ist allein für die Wasserautarkie des Systems bei Verwendung von reinem Methanol als Brennstoff zuständig. Bei Verwendung eines Methanol/Wasser-Gemisches als Brennstoff kann auf diesen Kondensator verzichtet werden. Damit lässt sich das System weiter vereinfachen.

Das Oxidationsmittel wird weitgehend ohne Vorwärmung in den Brennstoffzellenstapel geleitet. Das abgereicherte Oxidati- onsmittel wird mit Hilfe des Kondensators abgekühlt und über ein Gebläse in die Umwelt geleitet . Das auskondensierte flüssige Wasser wird zur Anodenseite gepumpt. Auf der Anodenseite wird Methanol, bzw. ein Methanol/Wassergemisch, den Anoden zugeführt. Die abgereicherte Methanollö- sung wird aus dem Brennstoffzellenstapel geleitet, in einem CO ₂ -Abscheider vom gasförmigen Anteil befreit und bei Bedarf mit hochkonzentriertem Methanol angereichert, bevor es wie-

der in den Stapel zurückfließt. Das Anodenmedium wird vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel nicht weiter abgekühlt .

Im Unterschied zu den herkömmlichern Brennstoffzellensyste- men setzt die Erfindung bezüglich der Betriebsweise auf eine Abwärmeauskopplung, die ausschließlich auf der Kathodenseite erfolgt . Dies ermöglicht eine drastische Reduzierung der anodenseitigen Systemtechnik. Die erforderlichen Komponenten (Umwälzpumpe, CO ₂ -Abscheider, Anschlussleitungen) lassen sich sehr kompakt in einen Systemblock integrieren, der zum direkten Bestandteil des Brennstoffzellenstapels wird. Die kathodenseitige Abwärmeauskopplung erfolgt durch Wasserverdampfung. Bei Direktmethanol-Brennstoffzellen ist hierfür ausreichend flüssiges Wasser vorhanden, da auf der Kathoden- seite neben dem Reaktionswasser zusätzliches Wasser durch

Diffusion und Permeation (Transportprozesse durch die Protonen leitende Membran) vorliegt. Der zur Wärmeauskopplung erforderliche Luftmengenstrom muss allerdings ausreichend hoch sein. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels wird durch die Höhe des Luftmengenstromes direkt beeinflusst. Bei einem etwa vierfachen Luftüberschuss (entspricht zur Zeit dem Stand der Technik) stellt sich eine Betriebstemperatur zwischen 60 ⁰ C und 80 ⁰ C ein.

Zusammenfassend bringt das integrierte System folgende Vorteile :

- kompakter Systemaufbau durch Integration des anodischen Teilsystems in den Stack - hohe Dynamik bezüglich Methanolkonzentrationsänderungen durch geringes Anodenvolumen und kurze Leitungswege

- gezielte Wämeauskopplung ausschließlich auf der Kathodenseite

vereinfachter Systemaufbau durch Verzicht auf anoden- seitigen Wärmeübertrager