DE10039960C1 - Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Gemisch von Wasser und Brennstoff sowie zugehörige Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Speziell in einer Brennstoffzelle soll aus dem dort vorliegenden Wasser-/Brennstoff-Gemisch das Kohlendioxid entfernt werden. Erfindungsgemäß wird zur Abtrennung eine Trennanlage, die nach dem Prinzip der Elektroosmose arbeitet, verwendet, wobei eine brennstoff- und wasserdurchlässige Membrane vorhanden ist. Bei der zugehörigen Vorrichtung ist eine nach dem Elektroosmoseprinzip arbeitende Trennanlage Teil der gesamten Brennstoffzellen-Anlage.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Gemisch aus Wasser und Brennstoff, insbesondere aus einem in einer Brennstoffzelle vorliegenden Wasser-/Brennstoff-Gemisch. Daneben bezieht sich die Erfin­ dung auch auf eine Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Trennanlage zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Wasser-/Brennstoff-Gemisch. Bei der Erfindung ist der Brennstoff vorzugsweise, aber nicht aus­ schließlich Methanol.

Brennstoffzellen werden mit flüssigen oder gasförmigen Brenn­ stoffen betrieben. Sofern die Brennstoffzelle mit Wasserstoff arbeitet, ist eine Wasserstoff-Infrastruktur oder ein Refor­ mer zur Erzeugung des gasförmigen Wasserstoffes aus dem flüssigen Brennstoff notwendig. Flüssige Brennstoffe sind z. B. Benzin, Ethanol oder Methanol. Eine sog. DMFC ("Direct Methanol Fuel Cell") arbeitet direkt mit Methanol als Brenn­ stoff.

Die Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Gemisch von Wasser und Methanol ist ein wesentliches Problem bei der Zirkulation der Anodenflüssigkeit der methanolbetriebenen Brennstoff­ zelle. Es soll bei möglichst hoher Temperatur - wenn möglich der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle - das gasförmige Kohlendioxid von dem flüssigen Methanol-/Wasser-Gemisch ge­ trennt werden. Eine möglichst hohe Temperatur ist wünschens­ wert, da die Löslichkeit von Kohlendioxid mit steigender Temperatur abnimmt und der Aufwand zur Kühlung des Flüssig­ keitsgemischs nicht erforderlich ist, sondern nur den Wir­ kungsgrad des Gesamtsystems mindert. Da aber das Kohlendioxid ohne eine zusätzliche Kühlung eine große Menge Methanol aus­ trägt, was durch den hohen Partialdruck des Methanols (Siedepunkt T_S = 65°C) bedingt ist, wird eine zusätzliche Kühlung des Flüssigkeitsgemischs notwendig.

Beim Stand der Technik wird das Flüssigkeit-/Gas-Gemisch deutlich unter den Siedepunkt von Methanol abgekühlt, das Kohlendioxid an einer aktiven Oberfläche zum Ausperlen ge­ bracht und dann das Flüssigkeits-Gasgemisch in einem Behälter getrennt. Damit ist im Gasraum grundsätzlich immer eine gas­ förmige Menge Methanol vorhanden, die bei der jeweiligen Temperatur durch den Partialdruck des Methanols und das Ver­ hältnis von Partialdruck zu Gesamtdruck gegeben ist. Dadurch wird aber wertvoller Brennstoff aus dem Brennstoffzellen- System ohne Nutzung herausgeführt und - sofern er nicht durch katalytische Verbrennung in Kohlendioxid und Wasser mit zu­ sätzlicher Luft an einem Katalysator umgesetzt wird - an die Umgebung abgegeben. Die Emission von Methanol unterliegt den entsprechenden Auflagen wie die von Verbrennungsmotoren und muss daher zum Gesamtwert der Kohlenwasserstoffe hinzugerech­ net werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Abtrennung von Kohlendioxid aus dem Wasser-/ Brennstoff-Gemisch verbessert wird, und eine zugehörige Vor­ richtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein­ gangs genannten Art durch die Maßnahme des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist durch den Patent­ anspruch 9 gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei der Erfindung wird zur Abtrennung eine Trennanlage ver­ wendet, die nach dem Prinzip der Elektroosmose arbeitet. Der Verlust von Brennstoff wird dadurch umgangen, dass der der­ zeitige Nachteil der methanol- und wasserdurchlässigen Membran in einer Brennstoffzelle zu einem Vorteil gewendet wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Die Erfindung wird im Einzelnen anhand einer DMFC, bei der als Brennstoff Methanol verwendet wird, beschrieben.

Wesentlicher Teil einer Brennstoffzelle ist die Membran-Elek­ trolyt-Einheit (MEA ≘ Membrane Electrolyte Assembly), welche eine spezifische methanol- und wasserdurchlässige Membrane aufweist, die chemisch durch Polyperfluoralkysulfonsäure umschrieben wird. Eine solche Membran ist unter dem Handels­ namen Nafion erhältlich. Die Nafion-Membranen werden übli­ cherweise durch ihr Äquivalentgewicht charakterisiert, wobei speziell bei DMFC-Brennstoffzellen üblicherweise die sog. Nafion 117-Membran zum Einsatz kommt. Für die Verwendung in der Brennstoffzelle werden diese Membranen hydrophobiert.

Die Anodenflüssigkeit wird bei diesem Verfahren durch eine weiter Zelle oder weitere Zellen geleitet mit einer Nafion- Membrane, die auch dünner sein kann als die übliche Nafion 117 Membrane, also Nafion 115 oder Nafion 112. Auch Nafion- Material mit höherem Äquivalentgewicht, also 105 oder 102, ist denkbar.

Je geringer der Widerstand der zusätzlichen Zelle, umso ge­ ringer ist der Verlust. Diese Vorrichtung wird im folgenden Trennanlage genannt. In dieser Zelle oder der zusätzlichen Einheit von Zellen bei größeren Stacks wird die Anodenflüs­ sigkeit nach Durchlaufen der Anoden geleitet und bei sehr hohen Stromdichten aktiv betrieben.

Die Trennanlage wird als Elektroosmoseanlage betrieben. An der Kathode wird Wasserstoff entwickelt. Durch den geringeren Widerstand der Nafion-Membranen mit geringerem Äquivalent­ gewicht bzw. geringerer Dicke ist die Stromdichte schon bei geringen Spannungen sehr hoch und ist somit die Elektroosmose besonders ausgeprägt. Das Methanol wird zusammen mit dem Wasser zur Kathode befördert, wobei auf der Anode dann eine an Methanol verarmte Flüssigkeit übrig bleibt. Das Kohlen­ dioxid wird auf diese Weise vollständig von der zur Kathode der Trennanlage transportierten Flüssigkeit getrennt. Die Kathodenflüssigkeit kann nun im Anodenkreislauf der Brenn­ stoffzelle erneut eingesetzt werden.

Bei der beschriebenen Vorrichtung wird also der z. Zt. wesent­ liche Nachteil der DMFC, die zu durchlässige Membran, zum Vorteil gewendet. Eine solche Vorrichtung kann direkt in einem Brennstoffzellen-System als zusätzliche Einheit bzw. Zellanordnung eingesetzt werden.

Die vorstehend anhand einer mit Methanol als Brennstoff be­ triebenen DMFC beschriebene Problemlösung, Kohlendioxid aus dem Wasser/Brennstoff-Gemisch abzutrennen, lässt sich auch mit anderen Brennstoffen betriebene Brennstoffzellen über­ tragen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Ge­ misch von Wasser und Brennstoff, insbesondere aus einem in einer Brennstoffzelle vorliegenden Wasser-/Brennstoff-Gemisch dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung eine Trennanlage, die nach dem Prinzip der Elekto­ osmose arbeitet, verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Brennstoff Methanol ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass in der Trennanlage die Anodenflüs­ sigkeit durch eine Membran geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Methanol zusammen mit dem Wasser zur Kathode gefördert wird und das an der Anode eine an Kohlendioxid angereicherte Flüssigkeit zurückbleibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die an der Anode der Trennanlage verbleibende Flüssigkeit, die mit Kohlendioxid angereichert ist, in einem Gasabscheider in Gas und Wasser getrennt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Anoden­ flüssigkeit zirkuliert und das die gebildete Kathodenflüssig­ keit als Wasser-/Methanol-Gemisch zurück gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mit dem elektoosmotischen Prinzip das Methanol zusammen mit dem Wasser zur Kathode befördert und an der Anode eine Methanol verarmte Flüssigkeit als Anodenflüssigkeit zurück bleibt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass durch das elektroosmotische Prinzip das Kohlendioxid vollständig von der zur Kathode der Trenn­ anlage transportierten Flüssigkeit getrennt wird.

9. Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7, mit einer Trennanlage zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Wasser-/Methanol-Gemisch, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Trennanlage eine elektoosmo­ tische Zelle ist, die nach dem Prinzip einer Brennstoffzelle arbeitet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine protonenleitfähige Membrane aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die protonenleitfähige Membrane ein Äquivalentgewicht unter 120, insbesondere unter 110, hat.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, da­ durch gekennzeichnet, dass die Membrane aus einem Material auf der Grundlage von Polyperfluoralky­ sulfonsäure besteht.