DE10040086C1 - 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 Kohlendioxid abgetrennt werden. Erfindungsgemäß wird zur Abtrennung eine Trennanlage verwendet, die nach dem Prinzip der Brennstoffzelle arbeitet, wobei eine brennstoff- und wasserdurchlässige Membran vorhanden ist. Bei der zugehörigen Vorrichtung ist eine als Trennanlage verwendete Brennstoffzellen-Einheit Teil der Gesamtanlage.

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 Koh­ lendioxid aus einem Wasser-/Brennstoff-Gemisch. Bei der Er­ findung 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 flüs­ sigen Brennstoff notwendig. Flüssige Brennstoffe sind z. B. Benzin, Ethanol oder Methanol. Eine sog. DMFC ("Direct Metha­ nol Fuel Cell") arbeitet direkt mit Methanol als Brennstoff.

Die Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Gemisch von Wasser und Methanol ist ein wesentliches Problem bei der Zirkulation der Anodenflüssigkeit der methanol-betriebenen 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 Tem­ peratur abnimmt und der Aufwand zur Kühlung des Flüssigkeits­ gemischs nicht erforderlich ist, sondern nur den Wirkungsgrad des Gesamtsystems mindert. Da aber das Kohlendioxid ohne eine zusätzliche Kühlung eine große Menge Methanol austrägt, was durch den hohen Partialdruck des Methanols (Siedepunkt T_S = 65°C) bedingt ist, wird eine zusätzliche Kühlung des Flüs­ sigkeitsgemischs 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 Flüssigkeit-Gasgemisch in einem Behälter getrennt. Damit ist im Gasraum grundsätzlich immer eine gas­ förmige Menge Methanol vorhanden, die bei der jeweiligen Tem­ peratur durch den Partialdruck des Methanols und das Verhält­ nis von Partialdruck zu Gesamtdruck gegeben ist. Dadurch wird aber wertvoller Brennstoff aus dem Brennstoffzellen-System ohne Nutzung herausgeführt und, wenn nicht durch katalytische Verbrennung in Kohlendioxid und Wasser mit zusätzlicher Luft an einem Katalysator umgesetzt, an die Umgebung abgegeben. Die Emission von Methanol unterliegt den entsprechenden Auf­ lagen wie die von Verbrennungsmotoren und muss daher zum Ge­ samtwert der Kohlenwasserstoffe hinzugerechnet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Abtrennung von Kohlendioxid aus einem 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 7 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 Brennstoffzelle arbeitet. Der Verlust von Brennstoff wird dadurch umgangen, dass der derzeitige Nachteil der brennstoff- und wasserdurchlässigen Membrane in einer Brennstoffzelle zu einem Vorteil gewendet.

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 um­ schrieben wird. Eine solche Membran ist unter dem Handelsna­ men Nation erhältlich. Die Nation-Membrane werden üblicher­ weise durch ihre Äquivalentgewicht charakterisiert, wobei speziell bei DMFC-Brennstoffzellen üblicherweise die sog. Na­ fion 117-Membran zum Einsatz kommt. Für die Verwendung in der Brennstoffzelle werden diese Membranen hydrophobiert.

Es ist nunmehr vorgesehen, dass die Anodenflüssigkeit bei diesem Verfahren durch eine weitere Zelle oder weitere Zellen mit einer Nation Membrane geleitet wird, die auch dünner sein kann als die übliche Nation 117-Membrane, also Nation 115 oder Nation 112. Auch Nafion-Material mit geringerem Äquiva­ lentgewicht also 105 oder 102 ist denkbar.

Je geringer der Widerstand der zusätzlichen Zelle, umso ge­ ringer ist der Aufwand für die Trennung. In diese Zelle oder die zusätzlichen Einheit von Zellen bei größeren Stacks wird die Anodenflüssigkeit nach dem Durchlaufen der Anoden ge­ leitet und bei möglichst hohen Stromdichten betrieben.

Die Kathode wird wie der Stack mit Luft versorgt, damit sorgt die Zelle selbst für den Stromfluss. Durch die hohen Strom­ dichten ist die Elektroosmose besonders ausgeprägt und das Methanol wird zusammen mit dem Wasser zur Kathode gefördert. Auf der Anode bleibt dann eine an Kohlendioxid angereicherte Flüssigkeit zurück. Das Kohlendioxid wird auf diese Weise vollständig von der zur Kathode transportierten Flüssigkeit getrennt. Die dadurch gewonnene Flüssigkeit kann nun im Anodenkreislauf des Stacks erneut eingesetzt werde. Die verblei­ bende Flüssigkeit auf der Anode der Trennanlage, die mit Koh­ lendioxid angereichert ist, kann so in einem Gasabscheider leichter in Gas und Wasser getrennt werden. Die Anodenflüs­ sigkeit kann in diesem Zusatzaggregat zirkulieren und die ge­ bildete Kathodenflüssigkeit wird als Wasser-/Methanol-Gemisch zurückgewonnen. Die Zellspannung sollte dabei so niedrig wie möglich und die Stromdichte so hoch wie möglich sein, damit der Energiebedarf für die Elektroosmose möglichst gering ist.

Das beschriebene Verfahren ist dann besonders interessant, wenn in einer DMFC-Brennstoffzelle eine Membran verwendet wird, die erheblich weniger methanol- und wasserdurchlässig ist als die Nafionmembran im Austauscher. Es ist dann auch möglich, andere protonenleitfähige Membranen als Nation in der Trennanlage zu verwenden.

Bei der beschriebenen Vorrichtung wird also der zur Zeit we­ sentliche Nachteil der DMFC, die zu durchlässige Membran, zum Vorteil gewendet. Eine solche Vorrichtung kann direkt in ei­ nem 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 übertra­ gen.

Claims (10)

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 Abtrennung eine Trennanlage verwendet wird, die nach dem Prinzip der Brennstoffzelle arbeitet.

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 Membrane geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Methanol zusammen mit dem Wasser zur Kathode gefördert wird und das an der Anode eine an Koh­ lendioxid angereicherte Flüssigkeit zurück bleibt.

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. Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6, mit einer Trennanlage zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Was­ ser-/Methanol-Gemisch, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Trennanlage nach dem Prinzip ei­ ner Brennstoffzelle arbeitet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine protonenleitfähige Membrane aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die protonenleitfähige Memb­ rane ein Äquivalentgewicht unter 120, insbesondere unter 110, hat.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, dass die Membrane aus einem Material auf der Grundlage von Polyperfluoralky­ sulfonsäure besteht.