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DE19852844C2 - Anordnung zum Erzeugen von elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle und einer Brennstoffquelle für den für die Brennstoffzelle erforderlichen Brennstoff - Google Patents

Anordnung zum Erzeugen von elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle und einer Brennstoffquelle für den für die Brennstoffzelle erforderlichen Brennstoff

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DE19852844C2
DE19852844C2 DE19852844A DE19852844A DE19852844C2 DE 19852844 C2 DE19852844 C2 DE 19852844C2 DE 19852844 A DE19852844 A DE 19852844A DE 19852844 A DE19852844 A DE 19852844A DE 19852844 C2 DE19852844 C2 DE 19852844C2
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DE
Germany
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fuel
fuel cell
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interfering
oxidizable substances
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Holger Klos
Martin Sattler
Roland Ebner
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P21 - Power For 21st Century 85649 Brunn GmbH
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P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH
P21 Power for the 21st Century GmbH
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen von elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus DE 196 52 341 A1 bekannt.
Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt werden und das Reaktionsprodukt kontinuierlich abgeführt wird. Dabei liegt den Brennstoffzellen die grundsätzliche Funktionsweise zu Grunde, daß sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle werden die Oxidations- und Reduktionsprozesse räumlich getrennt. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Will man die Brennstoffzellen mit einem leicht verfügbaren und zu speichernden Brennstoff wie Erdgas oder Methanol betreiben, muß man den Kohlenwasserstoff zunächst durch Reformierung in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Dabei wird dieses im wesentlichen zu Wasserstoff und Kohlendioxid zersetzt. Weiterhin entsteht ebenfalls Kohlenmonoxid (CO), das ein für die Brennstoffzelle schädliches Gas darstellt und deshalb vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle entfernt werden muß.
In der Brennstoffzelle kann Kohlenmonoxid ab einer bestimmten Konzentration dazu führen, daß sich die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung verringert und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle reduziert wird. Üblicherweise kann eine Anlagerung von Kohlenmonoxid in der Brennstoffzelle abgebaut werden, indem diese in regelmäßigen Abständen mit einem geeigneten Gas, beispielsweise Sauerstoff, gespült wird. Hat jedoch die Konzentration an Kohlenmonoxid in der Brennstoffzelle einen bestimmten Grenzwert überschritten, sind die in der Brennstoffzelle durch das Kohlenmonoxid hervorgerufenen Reaktionen irreversibel, so daß die Brennstoffzelle einen dauerhaften Leistungsverlust erleidet und ggf. ausgetauscht werden muß.
Somit besteht ein Bedürfnis, die Menge an schädlichem Kohlenmonoxid in der Brennstoffzelle messen zu können, um eine frühzeitige Reinigung bzw. Spülung der Brennstoffzelle vornehmen zu können, bevor es zu irreversiblen Schädigungen kommt.
Kohlenmonoxid kann mit Hilfe von Infrarot-Spektrometern oder mittels Gaschromatographie gemessen werden. Beide Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß sie zum einen sehr aufwendig und zum anderen mit erheblichen Kosten verbunden sind. Diese bekannten Verfahren sind deshalb für die Messung von Kohlenmonoxid in Brennstoffzellen, insbesondere wenn diese in Automobilen eingesetzt werden sollen, nicht rentabel oder aufgrund der erforderlichen Apparaturen auch nicht praktikabel.
Aus EP 0 834 948 A2 ist bereits eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, um den Kohlenmonoxidgehalt in einem wasserstoffreichen Gas zu reduzieren. Dabei reagiert das Kohlenmonoxid unter Anwesenheit eines geeigneten Katalysators mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsgas. Da diese oxidative Reaktion exotherm ist, ist weiterhin eine Wasserkühlung erforderlich. Die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas befindlichen Kohlenmonoxids wird über einen besonderen Sensor gemessen. Dieser Sensor mißt den aktuellen Gehalt des Kohlenmonoxids im wasserstoffreichen Gas. Wird ein bestimmter Grenzwert überschritten, wird der Oxidationsschritt eingeleitet. Nachteilig bei einem solchen Sensor ist vor allem, daß er konstruktiv aufwendig und damit nicht billig ist. Weiterhin erfordert ein solcher Sensor zu seinem Betrieb eine komplexe elektrische Schaltung.
In Sciene Tools, The LKB-Instruments Journal, April 1958, Seiten 9 bis 11 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis von Kohlenmonoxid in Luft beschrieben, wobei ein Oxidationsmittel zur Oxidierung von Kohlenmonoxid verwendet wird, das bei der Reaktion seine Farbe wechselt. Dieses Oxidationsmittel wird nicht in den Gasstrom eindosiert und mit diesem mitgeführt, sondern verbleibt an Ort und Stelle innerhalb der Messeinrichtung. Als Regelgröße für die Bemessung der kontinuierlichen Zudosierung des Oxidationsmittels wird die Klemmenspannung oder Stromdichte der Brennstoffzelle herangezogen.
Im "Lehrbuch der Anorganischen Chemie" von H. Remy, Akademische Verlagsgesell­ schaft, 7. Auflage, Leipzig 1954, Band I, Seiten 375, 376 und 674 werden im Zusammenhang mit Atemschutzgeräten einige Oxidationsmittel zur Beseitigung von CO genannt; es gibt dort keinen Bezug zu der Problematik eine Brennstoffzelle vor Schädigungen zu schützen.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie und zum Nachweisen und/oder Entfernen von störenden oxidierbaren Stoffen aus einem Brennstoff bereitzustellen, mit der die genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise der Kohlenmonoxid-Gehalt in der Brennstoffzelle ermittelt bzw. das Kohlenmonoxid im Brennstoff entfernt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch eine solche Vorrichtung wird auf einfache und kostengünstige Weise eine quantitative Messung von störenden oxidierbaren Stoffen - beispielsweise von Kohlenmonoxid - im Brennstoff ermöglicht. Außerdem erfolgt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Reinigung des Brennstoffs von den störenden oxidierbaren Stoffen. Dabei muß das Oxidationsmittel so ausgewählt werden, daß störende Nebenreaktionen möglichst wenig Einfluß haben.
Durch eine Farbveränderung des Oxidationsmittels wird eine besonders einfache visuelle Überprüfung des Brennstoffs auf entsprechende störende oxidierbare Stoffe ermöglicht. Die Messung des pH-Werts des Oxidationsmittels bzw. von dessen Veränderung ermöglicht auch andere Anzeigearten, mit denen das Vorhandensein von störenden oxidierbaren Stoffen im Brennstoff dargestellt werden kann. Derartige Anzeigen können als Zeiger-Anzeige, Schreiber, Bildschirm oder dergleichen ausgebildet sein.
Entsprechendes gilt für die Messung der thermischen oder elektrischen Leitfähigkeit.
Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Oxidationsmittel beschränkt. Vielmehr ist der grundlegende Gedanke der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, daß ein in dem Brennstoff befindlicher störender oxidierbarer Stoff, der in diesem nachgewiesen oder aus diesem entfernt werden soll, mit einem für diesen bestimmten oxidierbaren Stoff geeigneten Oxidationsmittel in Verbindung gebracht wird. Ein geeignetes Oxidationsmittel ist ein Mittel, das zu einer möglichst selektiven Oxidation des störenden oxiderbaren Stoffs führt, also den eigentlichen Brennstoff nicht in nennenswertem Umfang oxidiert. Vorzugsweise ist das Oxidationsmittel ein fester Stoff. Die sich zwischen dem störenden oxidierbaren Stoff und dem Oxidationsmittel einstellenden Reaktionen können auf geeignete Weise angezeigt werden, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert werden wird.
Vorzugsweise können die störenden oxidierbaren Stoffe oxidierbare Gase, und hier insbesondere Kohlenmonoxid, sein. Damit ist die Vorrichtung besonders geeignet, um das schädliche Kohlendioxid in einem aus Kohlenwasserstoffen reformierten Brennstoff nachzuweisen bzw. aus diesem zu entfernen.
Vorteilhaft kann das Oxidationsmittel Cr2O7 2- oder MnO4 sein. Diese Oxidationsmittel sind besonders geeignet zum Nachweis von Kohlenmonoxid. Allerdings sind auch andere Oxidationsmittel denkbar. Wichtig ist lediglich, daß die Oxidationsmittel mit dem nachzuweisenden oder zu entfernenden störenden oxidierbaren Stoff in geeigneter Weise reagieren können und daß der Einfluß etwaiger störender Nebenreaktionen möglichst ausgeschlossen wird.
Soll beispielsweise als störender oxidierbarer Stoff Kohlenmonoxid im Brennstoff nachgewiesen oder entfernt werden, wird als geeignetes Oxidationsmittel vorzugsweise Cr2O7 2- verwendet. Die entsprechenden Redoxgleichungen lauten dabei wie folgt:
Cr2O7 2- + 14H+ + 6e- → 2Cr3+ + 7H2O (1)
CO + ½O2 → CO2 + 2e (2)
Damit ergibt sich die Gesamtredoxgleichung wie folgt:
Cr2O7 2- + 14H+ + 3CO + 3/2O2 → 2Cr3+ + 7H2O + 3CO2 (3)
Bei der stattfindenden Reaktion des Oxidationsmittels mit dem Kohlenmonoxid färbt sich das Oxidationsmittel von orange nach gelb/grün und der pH-Wert steigt.
In weiterer Ausgestaltung kann das Oxidationsmittel in einem Behälter vorgesehen sein, vorzugsweise aus einem transparenten Material. Ein transparentes Material ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Veränderung im Oxidationsmittel visuell als Farbänderung angezeigt werden soll. Um den Grad des Vorhandenseins an störenden oxidierbaren Stoffen möglichst genau anzeigen zu können, kann an dem Behälter weiterhin eine entsprechende Skalierung vorgesehen sein.
Darüber hinaus kann weiterhin eine Einrichtung zum Messen des pH-Werts vorgesehen sein. Der in dieser Einrichtung gemessene pH-Wert des Oxidationsmittels bzw. dessen Veränderung, kann, falls erforderlich, in einer geeigneten Vorrichtung aufbereitet oder weiter verarbeitet und anschließend in einer wie oben beschriebenen Weise angezeigt werden.
Insgesamt wird eine Anordnung zum Erzeugen von elektrischer Energie bereitgestellt, die eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffquelle für den für die Brennstoffzelle erforderlichen Brennstoff und wenigstens eine Zuleitung von der Brennstoffquelle zur Brennstoffzelle aufweist, die eine Vorrichtung zum Nachweisen und/oder Entfernen von störenden oxidierbaren Stoffen aufweist.
Vorteilhaft kann die Vorrichtung zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor der Brennstoffzelle mit der Zuleitung verbunden sein.
Da die Vorrichtung jedoch zum Schutze der Brennstoffzelle dienen soll, ist es zweckmäßig, daß sie im näheren Umgebungsbereich der Brennstoffzelle oder direkt an dieser angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe derart mit der Zuleitung oder der Brennstoffzelle verbunden, daß wenigstens ein Teilstrom des Brennstoffs durch die Vorrichtung hindurch oder in diese hineingeleitet wird oder werden kann. In einer solchen Ausgestaltung wird die Vorrichtung vorzugsweise als eine Art Detektor zum Nachweis von störenden oxidierbaren Stoffen im Brennstoff verwendet. Die Vorrichtung ist beispielsweise über eine entsprechende Zuleitung mit der Hauptzuleitung verbunden, so daß ein Teilstrom des Brennstoffs in die Vorrichtung hineinströmen kann. Sofern der nachzuweisende störende oxidierbare Stoff, beispielsweise Kohlenmonoxid, im Brennstoff enthalten ist, wird dieser mit dem in der Vorrichtung befindlichen Oxidationsmittel in der wie oben beschriebenen Weise reagieren. Dadurch tritt beispielsweise eine Farbänderung des Oxidationsmittels ein, die über die Betriebszeit bzw. die Belastungszeit des Oxidationsmittels mit dem störenden oxidierbaren Stoff weiter fortschreitet. Wenn beispielsweise ein zuvor definierter Grenzwert erreicht wird, ist dieser über eine entsprechend fortgeschrittene Verfärbung des Oxidationsmittels visuell nachweisbar. Die Vorrichtung kann somit als Grenzwertdetektor und damit als Wartungsanzeige für die Brennstoffzelle dienen. Wenn der entsprechende Grenzwert erreicht wird, bedeutet dies, daß auch ein entsprechender Grenzwert des störenden oxidierbaren Stoffs innerhalb der Brennstoffzelle erreicht ist, und daß diese durch eine geeignete Maßnahme gereinigt oder gespült werden muß. Das Oxidationsmittel muß dann für eine nächste Betriebsperiode entweder regeneriert (d. h. oxidiert) oder gegen frisches Material ausgetauscht werden.
Weiterhin kann eine entsprechende Verfärbung des Oxidationsmittels auch bedeuten, daß die störenden oxidierbaren Stoffe nicht zufriedenstellend in entsprechenden Vorrichtungen zur Aufbereitung des Brennstoffs entfernt werden. In diesem Fall kann die durch die Reaktion erzeugte oder gemessene Veränderung des Oxidationsmittels auch als Hinweis dafür genutzt werden, daß die der Brennstoffzelle vorgeschalteten Komponenten zur Erzeugung des Brennstoffs gewartet oder überprüft werden müssen.
In weiterer Ausgestaltung kann die Vorrichtung zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe derart mit der Zuleitung verbunden sein, daß der gesamte Brennstoffstrom durch diese hindurchgeleitet wird oder werden kann. Eine solche Anordnung ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn die störenden oxidierbaren Stoffe im Brennstoff nicht nur angezeigt, sondern auch entfernt werden sollen. Beispielsweise kann das Oxidationsmittel in Form eines Salzbettes ausgebildet sein, durch das der Brennstoff hindurchströmt. Durch die Reaktion des störenden oxidierbaren Stoffs mit dem Oxidationsmittel wird dieser im Oxidationsmittel gebunden und kann deshalb nicht mehr in die Brennstoffzelle eintreten. Bei Anwesenheit von störenden oxidierbaren Stoffen, beispielsweise von schädlichem Kohlenmonoxid, ändert sich beispielsweise der pH-Wert und/oder die Farbe des Oxidationsmittels.
Damit sind diese beiden Veränderungen ein guter Indikator, wie wirksam das Oxidationsmittel noch ist. Weiterhin kann durch die Veränderung des pH-Werts oder der Verfärbung auf einfache Weise angezeigt werden, wann das Oxidationsmittel verbraucht ist. Sobald ein entsprechender Grenzwert erreicht ist, kann das Oxidationsmittel durch geeignete Maßnahmen entweder regeneriert - etwa durch Spülung mit H2O2 - oder aber je nach Bedarf die Vorrichtung zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe ausgebaut und durch eine neue Vorrichtung ersetzt werden.
In jedem Fall wird durch die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verhindert, daß ein kritischer Grenzwert an störenden oxidierbaren Stoffen in der Brennstoffzelle erreicht wird.
Eine Vorrichtung zur Aufbereitung des Brennstoffs ist vorzugsweise in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor der Vorrichtung zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe und/oder vor der Brennstoffzelle vorgesehen und mit der Zuleitung verbunden. Eine solche Vorrichtung zur Aufbereitung des Brennstoffs ist beispielsweise dann notwendig, wenn der Brennstoff nicht als reiner Wasserstoff zur Verfügung steht, sondern aus Erdgas, Methanol oder dergleichen zunächst reformiert werden muß.
In vorteilhafter Weise wird die wie oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnung und/oder das Verfahren zum Nachweis und/oder zum Entfernen von oxidierbaren Stoffen, insbesondere von Kohlenmonoxid im Brennstoff für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle zum Betreiben eines Elektromotors für ein Fahrzeug verwendet.
Zwar bietet die Automobilindustrie z. Zt. die größten Einsatzmöglichkeiten für Brennstoffzellen, dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder mobile Telefone bis hin zu Kraftwerksanlagen. Auch eignet sich die Brennstoffzellentechnik für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf besondere Brennstoffzellentypen beschränkt, so daß die Erfindung in Verbindung mit allen Brennstoffzellentypen verwendet werden kann. Derartige Brennstoffzellen sind beispielsweise alkalische Brennstoffzellen (AFC), protonenleitende Brennstoffzellen (PEMFC), phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC), Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) oder dergleichen.
In bevorzugter Weise kann die vorliegende Erfindung jedoch in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet werden. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß. PEM-Brennstoffzellen werden bevorzugt mit Erdgas oder Methanol betrieben. Bei der Reformierung dieser Brennstoffe in ein wasserstoffreiches Gas als Brennstoff für die Brennstoffzelle fällt neben Kohlendioxid auch das schädliche Kohlenmonoxid an, das durch die Erfindung auf einfache und kostengünstige Weise im Brennstoff nachgewiesen oder aber auch aus diesem entfernt werden kann.
Als Brennstoff für die Brennstoffzellen kann beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, Wasserstoff, Methanol, Benzin, Erdgas, Kohlegas, Biogas oder dergleichen verwendet werden. Durch die vorliegende Erfindung kann aber jeder störende oxidierbare Stoff im Brennstoff durch jeweils geeignete Oxidationsmittel nachgewiesen oder aus diesem entfernt werden.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Anordnung zum Erzeugen von elektrischer Energie; und
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Anordnung zum Erzeugen von elektrischer Energie.
In Fig. 1 ist eine Anordnung 10 zum Erzeugen elektrischer Energie dargestellt. Die Anordnung 10 kann beispielsweise dazu dienen, elektrische Energie für den Elektromotor eines Fahrzeugs bereitzustellen. Dazu weist die Anordnung 10 eine Brennstoffzelle 12 auf, die beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 12 wird mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben, der wiederum aus Erdgas oder Methanol reformiert wird. Dazu weist die Anordnung 10 zunächst eine Brennstoffquelle 11 auf, in der das Methanol oder das Erdgas gespeichert ist. Um aus dem Methanol oder Erdgas Wasserstoffgas reformieren zu können, ist weiterhin eine Vorrichtung 14 zur Aufbereitung des Brennstoffs vorgesehen, die über eine Zuleitung 13 mit der Brennstoffquelle 11 verbunden ist. In der Vorrichtung 14 zum Aufbereiten des Brennstoffs wird das Methanol oder das Erdgas zu Wasserstoffgas reformiert. Das reformierte Wasserstoffgas wird über die Zuleitung 13 aus der Vorrichtung 14 zur Aufbereitung des Brennstoffs in die Brennstoffzelle 12 geleitet. Dabei enthält das reformierte Wasserstoffgas neben Kohlendioxid auch Kohlenmonoxid, das jedoch für die Brennstoffzelle 12 schädlich ist, da es ab einem gewissen Gehalt die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 12 reduziert. Deshalb muß die Brennstoffzelle 12 in regelmäßigen Abständen beispielsweise mit Sauerstoff gespült werden, um das Kohlenmonoxid zu entfernen. Wird diese Maßnahme nicht durchgeführt, treten ab einem gewissen Konzentrationspunkt an Kohlenmonoxid irreversible Reaktionen auf, so daß die Brennstoffzelle 12 unbrauchbar wird und ausgetauscht werden muß.
Um das schädliche Kohlenmonoxid im Brennstoff nachweisen zu können, weist die Anordnung 10 eine Vorrichtung 15 zum Nachweisen und/oder Entfernen von störenden oxidierbaren Stoffen - in diesem Fall Kohlenmonoxid - in/aus dem Brennstoff auf. Die Vorrichtung 15 ist in Strömungsrichtung SB des Brennstoffs, die durch einen entsprechenden Pfeil dargestellt ist, vor der Brennstoffzelle 12 angeordnet. Vorteilhaft befindet sich die Vorrichtung 15 in der näheren Umgebung der Brennstoffzelle 12, sie kann aber auch direkt mit dieser verbunden sein. Die Vorrichtung 15 besteht aus einem Behälter 20, der aus einem transparenten Material, vorzugsweise einem Kunststoffmaterial, hergestellt ist. In dem Behälter 20 befindet sich ein für das Kohlenmonoxid geeignetes Oxidationsmittel 16, in diesem Fall Cr2O7 2-. Der Behälter 20 der Vorrichtung 15 ist über eine Zuleitung 18 mit der Zuleitung 13 verbunden.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der Anordnung 10 beschrieben:
Der aus der Vorrichtung 14 zur Aufbereitung des Brennstoffs austretende gasförmige Wasserstoffbrennstoff strömt in der durch den Pfeil dargestellten Strömungsrichtung SB in Richtung der Brennstoffzelle 12. Kurz vor Erreichen der Brennstoffzelle 12 wird ein Teil des Brennstoffstroms abgeleitet. Dieser Teilstrom wird über die Zuleitung 18 in die Vorrichtung 15 hineingeleitet. Bei Anwesenheit von Kohlenmonoxid im Brennstoff reagiert das Kohlenmonoxid mit dem Oxidationsmittel 16, das sich im Behälter 20 der Vorrichtung 15 befindet. Durch die Reaktion verfärbt sich das Oxidationsmittel grün. Diese grüne Verfärbung kann wegen des transparenten Behältermaterials visuell erfaßt werden. Über die Betriebszeit der Anordnung 10 wird sich das Oxidationsmittel 16 bei Anwesenheit von Kohlenmonoxid im Brennstoff immer mehr verfärben. Die fortschreitende Verfärbung kann beispielsweise über eine geeignete Skalierung 17 am Behälter 20 nachgewiesen werden. Wenn ein bestimmter Grenzwert erreicht ist, d. h. wenn sich ein bestimmter Grad an Verfärbung des Oxidationsmittels eingestellt hat, bedeutet dies, daß auch ein Grenzwert an Kohlenmonoxid-Belastung in der Brennstoffzelle 12 eingetreten ist. Die Vorrichtung 15 fungiert somit als Grenzwertdetektor und damit als Wartungsanzeige. Das Erreichen des Grenzwertes signalisiert, daß die Brennstoffzelle 12 beispielsweise mit Sauerstoff gespült werden muß, um die Kohlenmonoxid-Belastung abzubauen und um irreversible Reaktionen in der Brennstoffzelle 12 zu vermeiden. Das Erreichen des visuell nachweisbaren Grenzwertes kann aber auch bedeuten, daß die Vorrichtung 14 zur Aufbereitung des Brennstoffs gewartet werden muß, beispielsweise indem Katalysatoren ausgetauscht oder Regler neu eingestellt werden.
Da die durch die Reaktion des Oxidationsmittels 16 mit dem Kohlenmonoxid eintretende Verfärbung des Oxidationsmittels 16 nicht reversibel ist, handelt es sich bei der in der Vorrichtung 15 dargestellten Verfärbung um eine summierte Gesamtanzeige der Belastung mit Kohlenmonoxid, nicht jedoch um eine Anzeige zur momentanen Belastung der Brennstoffzelle 12 mit Kohlenmonoxid. Aus diesem Grund muß die Vorrichtung 15 nach Erreichen des Grenzwertes durch eine entsprechende neue Vorrichtung ausgetauscht werden. Da die Vorrichtung 15 jedoch aus konstruktiv einfachen und kostengünstigen Bauteilen und Elementen zusammengesetzt ist, ist dieser Austausch ohne größere Kosten und Mühen möglich.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Anordnung 10 zum Erzeugen elektrischer Energie dargestellt, wobei gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung 10 zum Erzeugen elektrischer Energie weist wiederum eine Brennstoffquelle 11, eine Vorrichtung 14 zur Aufbereitung des Brennstoffs und eine Brennstoffzelle 12 auf, die über eine Zuleitung 13 miteinander verbunden sind. Die einzelnen Funktionen der jeweiligen Bauelemente entsprechen denen des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zu Fig. 1 dient die Vorrichtung 15 zum Nachweisen und/oder Entfernen von störenden oxidierbaren Stoffen, und hier von Kohlenmonoxid, in/aus dem Brennstoff hauptsächlich zum Entfernen des Kohlenmonoxid aus dem Brennstoff. Dazu ist die Vorrichtung 15 in Strömungsrichtung SB des Brennstoffs gesehen vor der Brennstoffzelle 12 in einer Weise angeordnet, daß der gesamte Brennstoffstrom vor Eintritt in die Brennstoffzelle 12 durch die Vorrichtung 15 hindurchströmt. Das Oxidationsmittel 16 ist in diesem Fall als Salzbett im Behälter 20 ausgebildet. Die Veränderung des Oxidationsmittels 16 durch die Reaktion mit dem Kohlenmonoxid wird diesmal nicht durch die Verfärbung des Oxidationsmittels 16, sondern durch die Veränderung von dessen pH-Wert gemessen. Dazu ist die Vorrichtung 15 mit einer geeigneten und im Stand der Technik grundsätzlich bekannten Einrichtung 19 zum Messen des pH-Wertes verbunden.
Der aus der Vorrichtung 14 zur Aufbereitung des Brennstoffs austretende Brennstoff strömt durch das Oxidationsmittel 16 hindurch. Bei Anwesenheit von Kohlenmonoxid ändert sich der pH-Wert des Oxidationsmittels. Diese Änderung wird von der Einrichtung 19 gemessen und je nach Bedarf und Anwendungsfall weiter verarbeitet und auf geeignete Weise angezeigt. Die Änderung des pH-Werts ist ein guter Indikator, wie wirksam das Oxidationsmittel 16 in der Vorrichtung noch ist. Weiterhin kann durch die Änderung des pH-Werts angezeigt werden, wann das Oxidationsmittel in der Vorrichtung 15 verbraucht ist. Durch die Messung des pH-Werts kann auf schnelle Weise angezeigt werden, ob Kohlenmonoxid in die Vorrichtung 15 gelangt. Nach Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes muß das Oxidationsmittel 16 entweder regeneriert oder durch frisches Oxidationsmittel ausgetauscht werden. Der Austausch des Oxidationsmittels 16 erfolgt dabei auf einfache Weise, indem die gesamte Vorrichtung 15 ausgetauscht wird. Ebenso kann das Erreichen eines pH- Grenzwerts signalisieren, daß, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, die der Vorrichtung 15 vorgeschalteten Komponenten - wie die Brennstoffquelle 11 und die Vorrichtung 14 zur Aufbereitung des Brennstoffs - gewartet werden müssen.
Bezugszeichenliste
10
Anordnung zum Erzeugen elektrischer Energie
11
Brennstoffquelle
12
Brennstoffzelle
13
Zuleitung
14
Vorrichtung zur Aufbereitung des Brennstoffs
15
Vorrichtung zum Nachweisen/Entfernen von störenden oxidierbaren Stoffen
16
Oxidationsmittel
17
Skalierung
18
Zuleitung
19
Einrichtung zum Messen des pH-Werts
20
Behälter
SB
Strömungsrichtung des Brennstoffs

Claims (9)

1. Anordnung zum Erzeugen von elektrischer Energie, mit einer Brennstoffzelle, einer Brennstoffquelle für den für die Brennstoffzelle erforderlichen Brennstoff, wenigstens einer Zuleitung von der Brennstoffquelle zur Brennstoffzelle, einer Vorrichtung zum Nachweisen und/oder Entfernen von im Brennstoff enthaltenen störenden oxidierbaren Stoffen, wobei ein Oxidationsmittel eingesetzt wird, das bei Anwesenheit von störenden oxidierbaren Stoffen im Brennstoff mit diesen reagiert, und mit einer Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung (15) zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe ein Oxidationsmittel (16) für die störenden oxidierbaren Stoffe aufweist, das vom Brennstoff durchströmt wird,
daß das Oxidationsmittel (16) bei Reaktion mit den störenden oxidierbaren Stoffen seine Farbe und/oder seinen pH-Wert und/oder seine thermische und/oder seine elektrische Leitfähigkeit ändert und
daß die Meßeinrichtung (Skalierung 17, Einrichtung 19) zur Bestimmung des Gesamtgehalts der während der Betriebszeit der Brennstoffzelle im Brennstoff enthaltenen störenden oxidierbaren Stoffe aufgrund der Änderung der Farbe und/oder des pH-Werts und/oder der thermischen und/oder der elektrischen Leitfähigkeit des Oxidationsmittels ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel (16) Cr2O7 2- oder MnO4 ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel (16) in einem Behälter (20), vorzugsweise aus einem transparenten Material, angeordnet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßeinrichtung eine Einrichtung (19) zum Messen des pH-Werts des Oxidationsmittels (16) vorgesehen ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (15) zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor der Brennstoffzelle (12) mit der Zuleitung (13) verbunden ist oder daß die Vorrichtung (15) unmittelbar mit der Brennstoffzelle (12) verbunden ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (15) zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe derart mit der Zuleitung (13) oder der Brennstoffzelle (12) verbunden ist, daß wenigstens ein Teilstrom des Brennstoffs durch die Vorrichtung (15) hindurch oder in diese hineingeleitet wird oder werden kann.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (15) zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe derart mit der Zuleitung (13) verbunden ist, daß der gesamte Brennstoffstrom durch diese hindurchgeleitet wird oder werden kann.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (14) zur Aufbereitung des Brennstoffs vorgesehen ist und daß die Vorrichtung (14) in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor der Vorrichtung (15) zum Nachweisen und/oder Entfernen der störenden oxidierbaren Stoffe vor der Brennstoffzelle (12) vorgesehen und mit der Zuleitung (13) verbunden ist.
9. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Betreiben eines Fahrzeugs wobei der im Brennstoff enthaltene störende oxidierbare Stoff Kohlen­ monoxid ist.
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