DE19740657A1

DE19740657A1 - Billigbrennstoffzellensystem mit Methanol als Brennstoff

Info

Publication number: DE19740657A1
Application number: DE19740657A
Authority: DE
Inventors: Christian Koch
Original assignee: IRT INNOVATIVE RECYCLING TECHN
Current assignee: Alphakat GmbH
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 1999-03-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Systems der Stromerzeugung aus Luft oder Sauerstoff, welches aus kompakten, leistungsfähigen und preiswerten Komponenten aufgebaut ist. Damit werden die Herstellungskosten wesentlich erniedrigt.

Bekannt sind Brennstoffzellensysteme mit basischen und sauren Elektrolyten unterschiedlicher Reaktionstemperatur. Zur Realisierung eines billigen der Preisebene von den konkurrierenden Motoren mit Generatoren führen jedoch nur die Brennstoffzellen mit niedrigen Temperaturen zu Verhältnissen, die ein vergleichbares Preisniveau denkbar werden lassen. Das gilt auch für die Betriebsbereitschaft, die bei Niedertemperaturbrennstoffzellen ausreichend kurz erreichbar ist, d. h. sie kann immer betriebsbereit sein.

Ziel der Entwicklungen eines neuen billigen Brennstoffzellensystems war es deshalb, auf der Basis der bekannten Verfahren nach völlig neuen Komponenten zu suchen, die preiswert in Serie hergestellt werden können und die eine hohe Lebenserwartung bei hohem Wirkungsgrad, d. h. hoher Energieausnutzung zur Erzeugung von Strom und Wärme, ermöglichen. Dieses ist bei den jetzigen Brennstoffzellen aus vielen Gründen noch nicht erreicht. Die Entwicklungen sind auf Schwierigkeiten gestoßen, die nicht beseitigbar erscheinen.

Dieses gilt insbesondere für die alkalische Brennstoffzelle mit der Kalilauge als Elektrolyt, die wegen der nicht überwindbar erscheinenden Schwierigkeiten kein Entwicklungsschwerpunkt der Brennstoffzellentechnik mehr ist. Diese Schwierigkeiten bestehen darin, daß die Haltbarkeit und der Wirkungsgrad der alkalischen Brennstoffzelle nicht zufriedenstellend sind. Dieses hat seine Ursache in der Lösung, wie die Entfernung des Reaktionswassers erfolgt und der Art der gewählten Elektroden.

Überaschenderweise wurde nun gefunden, daß es tatsächlich möglich ist, diese Schwierigkeiten mit völlig neuartigen und preiswerten Komponenten zu überwinden. Dabei wurde als Voraussetzung dafür gefunden, daß eine innige Vernetzung zwischen der Brennstoffzelleneinheit und der Erzeugung des Wasserstoffes für die Brennstoffzelle aus Methanol diese Schwierigkeiten überwinden hilft. Beide Teileinheiten, die Brennstoffzelle und die Herstellungseinheit von Wasserstoff aus Methanol, bringen durch die erfindungsgemäßen Elemente die Überwindung der Schwierigkeiten.

In dem erfinderischen Verfahren wurden die Elemente flammlos katalytische Verbrennung, Sinterelektroden, Reaktionswasserent fernung in der Destillation, Reaktionswärmeeinbringung in der Methanolspaltung durch Heat-pipe-Wärmetauscher und die Verteilung der Reaktionsgase in der Brennstoffzelle über Verschäumung als die Komponenten gefunden, die die Erreichung des erfinderischen Zieles ermöglichen.

Das erfinderische Verfahren wird an Hand der Fig. 1 näher erläutert. Es zeigt dieses die erfinderischen Komponenten mit den Bezeichnungen 3, 5, 9, 10, 15, 18, 1, 17, 19, 26 und 30.

Das erfinderische Verfahren ist in Fig. 1 dargestellt. Mit 1 ist die Brennstoffzelle bezeichnet. Der Wasserstoffstrom 7 wird in der Verschäumungskammer 9 mit der ca. 60°C warmen Kalilauge so gemischt, daß dabei ein Schaum entsteht. Dieses wird erreicht, indem Tenside der Kalilauge zugegeben sind. Das Gemisch gelangt in die Verteilungskammer 2 und reagiert an der Sinterelektrode 3. Diese Sinterelektrode ist eine Kupferkugelsinterplatte, die oberflächlich mit einer Legierung von Nickel und Aluminium bedampft ist. Diese gesinterte Elektrode wird in Natronlauge von dem Aluminium befreit, so daß die Oberfläche aus Raneynickel besteht.

Die Verteilungskammer 2 ist von der Verteilungskammer 6 getrennt durch ein Diapragma, also einer Ionendurchlässigen Wand. Auf der anderen Seite des Diapragmas ist die Sinterelektrode aus Raneysilber auf dem Kupferkugelsinterkörper. Beide Sinterkörper sind über den Stromkreis leitend miteinander verbunden. In die auf der rechten Seite befindliche Verteilungskammer 6 gelangt der Schaum aus Luft 8 und Kalilauge, der sich in der Mischeinheit 10 bildet.

In den Abscheidern von Gas und Lauge 11 werden die nicht umgesetzten Gasanteile aus der Brennstoffzelle von der Lauge getrennt, die als Lauge von ca. 70°C 24 zur Abtrennung des Reaktionswassers in den Wärmetauscher 26 eingeleitet wird. Das abgeschiedene Gas, der Restwasserstoff 12 und die Restluft 13 werden in dem Gasmischer für die Verbrennungsgasleitung 14 gemischt und in die flammlos katalytische Verbrennung 15 weitergeleitet.

In der flammlos katalytischen Verbrennungseinheit 15 ist eine temperaturfeste Auskleidung aus beispielsweise Siliziumkarbid, Siamant. In der flammlos katalytischen Verbrennungseinheit 15 sind nacheinander die Flammenrückschlagsperre 16, die aus einem Wabenkörper besteht, der Verbrennungskatalysator 17, der aus einem mit katalytisch aktiven Materialien wie LaCeCoO3, Platin und Rhodium, beschichtet ist. Diesem katalytisch aktiven Wabenkörper ist ein Heat-pipe-Wärmetauscher 18 nachgeordnet der aus Heat-pipe- Rohren und katalysatorabgewandt Heat-pipe-Rippenrohren besteht.

Dem Erwärmungsteil des Heat-pipe-Wärmetauschers nachgeschal tet ist die katalytische Nachverbrennungswabe 19, die ebenfalls mit Aktivmaterial für die Nachverbrennung beschichtet ist. Das in der flammlos katalytischen Verbrennung aus dem Restgas der Brenn stoffzelle erzeugte heiße Rauchgas wird in die Wärmetauscher kammer 20 eingeleitet. In der Wärmetauscherkammer befinden sich der Wärmetauscher 21, der das flüssige Methanol 22 verdampft und das dampfförmige Methanol 23 erzeugt. Diesem Wärmetauscher 21 ist der Wärmetauscher 26, der die warme Kalilauge 24 mit dem Reak tionswasser zu einem Gemisch von Kalilauge ohne Reaktionswasser 25, also in der Konzentration 6-normal, und den Wasserdampf umwandelt.

Zu dem Wärmetauscher 26 gehört auch der Dampfabscheider auf der rechten Seite, der die Kalilauge von dem Dampf trennt, der in der Mischkammer 27 mit dem Methanoldampf gemischt wird. Das Dampfgemisch gelangt in den Methanolzersetzungsreaktor 28, in dem hintereinander die Rückschlagsperre 29, der Heat-pipe- Wärmetauscher 30 und die Katalysatorschüttung für die Methanolzersetzungsreaktion 31 angeordnet ist. Der Heat-pipe- Wärmetauscher 30 ist mit dem Wärmetauscher 18 verbunden und heizt das Gemisch auf Reaktionstemperatur auf. Zweckmäßigerweise sind die Katalysatorelemente der Schüttung auch zwischen den Rippen des Heat-pipe-Wärmetauschers angeordnet.

Die in dem Methanolzersetzungsreaktor 28 erreichte Reinheit an Wasserstoff ist nicht ausreichend. Deshalb ist dem Methanol zersetzungsreaktor 28 die Konvertierung 32 nachgeschaltet, die die Katalysatorelemente 33 besitzt. Durch Temperaturregelung mit zusätzlicher Wassereinspritzung wird bei einer Reaktionstemperatur von etwa 200°C mit kupferhaltigen Katalysatoren eine sehr niedrige CO-Konzentration erreicht, so daß das Gemisch 34 fast nur aus CO2, Wasserdampf und Wasserstoff besteht.

Das Gemisch 34 gelang über einen Kondensator 35 in den Feststoffadsorber 37. Die Kühlung des Kondensators 36 geschieht über Wasser, das in die Dampfform 35 dabei überführt wird. Dieses ist möglich, da die Kondensation unter Druck und die Verdampfung drucklos erfolgt. Der drucklose Wasserdampf wird dazu verwendet, den beladenen Feststoffadsorber 38 durch Temperaturerhöhung und Strippen zu reinigen und das CO2 und CO der Beladung abzuführen.

Nach Wärmeabfuhr ist das Gemisch aus hauptsächlich CO2 und kleine Verunreinigungen an CO ein relativ reines Abgas, da die Verunreinigungen an CO innerhalb der zugelassenen Abgas grenzwerte sind. Die Adsorber 36 werden somit periodisch umgeschaltet. Ihr Adsorptionsmaterial sind übliche Materialien aus Molekularsieben, Aktivkohlen oder speziellen Aluminiumoxiden.

Ein nachfolgendes Ausführungsbeispiel zeigt die erfinderischen Verhältnisse des Verfahrens näher.

Eine Brennstoffzelle mit 30 Zellen, bestehend aus dem Wasserstoffteil und dem Luftteil in der Größe von 200 × 200 mm Sinterelektrodengröße wird mit Sinterelektroden aus einem Sinterprozeß auf einem Sinterband mit gesinterten Kupferkugeln und Raneysilber und gesinterten Eisenkugeln und Raneynickel bestückt. Die elektrische Leistung der Einheit ist 5 kW. Dabei werden 2,2 kg/h Methanol verbraucht und ca. 5 kW Wärme an der Laugenkühlung, der Rauchgaskühlung der flammlos-katalytischen Verbrennung und der Dampfkühlung nach der Desorption der Adsorber 37 oder 38 gewonnen.

Die Heat-pipe-Wärmetauscher übertragen eine Wärmeleistung von 2 kW und bestehen aus 10 Heat-pipe-Röhren in der ersten Reihe ohne Rippen und 5 Heat-pipe-Röhren mit Rippen und haben eine Länge 420 mm mit einer Zwischenlänge zwischen den beiden Teilen 15 und 28 von 20 mm. Die Querschnittmaße der beiden Teile 15 und 28 haben einen inneren Querschnitt von 200 × 200 mm.

Der erreichte Wirkungsgrad der Umsetzung in der Brennstoffzelle ist 90%, wobei 45% auf die Abgabe der elektrischen Leistung und 45% auf die Abgabe von Wärmeenergie entfallen. Als Katalysatoren für die flammlos-katalytische Verbrennung werden Beschichtungen von Platin, Rhodium und Lanthan-Cer-Kobaltit und für die Methanol zersetzung Katalysatorgemische von Zn : Chrom von 3 : 1 als Oxide auf keramischen Träger verwendet.

Es wird als Elektrolyt Kalilauge in der mittleren Konzentration von 6-n verwendet. Die Materialien für das Gerüst der Brennstoffzelle Polyethylen. Die Zellen werden durch Zuganker zusammengehalten, wobei die Dichtungen aus Viton in die Rahmen eingelegt sind.

Für die Niedertemperaturkonvertierung wird ein TT-Kon vertierungskontakt aus Kupfer eingesetzt. Die Abscheider sind mit Demistoren ausgerüstet, Drahtgeflechten, die eine Tropfenabscheidung in dem vom Hersteller angegebenen Maße bei den eingehaltenen Strömungsgeschwindigkeiten gewährleisten.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellenanlage

2

Wasserstoffseite der Brennstoffzelle

3

Wasserstoffelektrode aus Raneynickel

4

Diapragma zwischen den Katalysatoren

5

Sauerstoffelektrode aus Raneysilber

6

Sauerstoff- bzw. Luftseite der Brennstoffzelle

7

Wasserstoffanschluß verbunden mit

37

8

Luftanschluß vom Ventilator

9

Mischeinheit mit Schaumbildung zwischen Wasserstoff und Lauge

10

Mischeinheit mit Schaumbildung zwischen Sauerstoff oder Luft und Lauge

11

Abscheider der Lauge von den Gasen

12

Restwasserstoffleitung ohne Lauge

13

Restsauerstoff- oder Restluftleitung ohne Lauge

14

Gasmischer für die Verbrennungsgasleitung

15

Flammlos katalytischer Brenner mit Spezialauskleidung (Siamant)

16

Flammenrückschlagsperre aus Wabenkörper

17

Katalysatorwabe mit Oxidationskatalysatoren beschichtet

18

Heat-pipe-Röhrenbündel

19

Nachverbrennungskatalysator mit Oxidationskatalysatoren beschichtet

20

Wärmetauscherkammer zur Erwärmung und Verdampfung von Methanol und Wasser

21

Methanolverdampfer

22

Eingangsleitung für das flüssige Methanol

23

Abgangsleitung für das dampfförmige Methanol

24

Eingangsleitung für die Lauge mit Reaktionswasser

25

Ausgangsleitung des Gemisches der Lauge ohne Reaktionswasser und dem Reaktionswasserdampf

26

Wärmetauscher zur Verdampfung des Reaktionswassers mit der Wärme der flammlos katalytischen Verbrennung

27

Mischkammer des Reaktionswasserdampfes mit dem Methanoldampf

28

Methanolzersetzungsreaktor als steam reformer

29

Reaktionsrückschlagsperre als Wabenkörper

30

Heat-pipe-Wärmetauscher zur Aufheizung des Methanol- /Wasserdampfes auf Reaktionstemperatur

31

Katalysatorschüttung für die Methanolzersetzungsreaktion

32

Konvertierungsreaktor

33

Katalysatorschüttung für die Konvertierungsreaktion

34

Wasserstoffgas aus der TT-Konvertierung

35

Kondensator und Kühler zur Abscheidung des Wasserdampfes unter Druck, gekühlt durch Wasser, das verdampft wird für die Desorption

36

CO₂

-Adsorber

37

Gereinigter und reiner Wasserstoff zur Einleitung in die Brennstoffzelle an Stelle

7

38

In Regeneration befindlicher CO₂

-Adsorber, der durch Dampf beaufschlagung von dem CO₂

freigestrippt wird.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom durch eine Brennstoffzelle verbunden mit einer Methanolzersetzungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Restgase aus der Brennstoffzelle in einer flammlos-katalytischen Verbrennung sowohl die Reaktions partner der Methanolzersetzung verdampfen, als auch die Reaktionswärme über eine Heat-pipe Wärmeübertragung einleiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heat pipe-Elemente auf der Seite der Heizung durch die flammlos katalytische Verbrennung keine Rippen und auf der der Heizung abgewandten Seite Rippen besitzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Brennstoffzelle als stromerzeugende Elektroden Sinterscheiben haben, die auf den gesinterten Grundkugeln die Raney beschichtungen aufgedampft haben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Gase in der Brennstoffzelle über eine Verschäumung vergleichmäßigt wird und nach der Brennstoffzelle über Demistoren wieder aufgelöst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionswasser aus der Lauge verdampft wird und anschließend dem Methanoldampf für die Reaktion in der Methanolzersetzung und Konversion als Reaktionspartner zur Verfügung steht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizenergie durch Wassererwärmung in den Stufen nach der Desorption, dann nach der Abtrennung des Reaktionswassers mit den heißen Laugen und schließlich nach der flammlos-katalytischen Verbrennung erfolgt.