DE102006011821A1 - Brennstoffzelle für metallischen Brennstoff - Google Patents

Abstract

Eine Brennstoffzelle für Alkali- oder Erdalkalimetall in flüssiger Form benötigt keinen Katalysator und kann mit flüssigem, vorzugsweise gebundenem, Elektrolyt bei hohem Gesamt-Wirkungsgrad über einen weiten Temperaturbereich betrieben werden, wodurch es möglich wird, sehr wirtschaftlich große Mengen elektrische Energie für mobile Anwendungen zur Verfügung zu stellen.

Description

• TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft eine neuartige Brennstoffzelle, bei der nicht Wasserstoff oder ein Alkohol oder ein Kohlenwasserstoff kalt verbrannt wird, sondern ein Metall.
• STAND DER TECHNIK
• Weltweit wird auf dem Gebiet der Brennstoffzellen mit großem Aufwand geforscht. Marktfähige Produkte gibt es trotzdem nur wenige, weil einige grundlegende Problemfelder noch der Klärung bedürfen. Insbesondere betroffen sind die Lagerung und die Distribution des Brennstoffes, die zulässige Umgebungstemperatur, die Kosten für Katalysatoren, die Lebensdauer der Brennstoffzellen, die dynamischen Eigenschaften, der Gesamt-Wirkungsgrad für die komplette Wirkungskette von der Brennstofferzeugung, der Lagerung und Distribution bis hin zum elektrischem Netto-Output des Brennstoffzellen-Systems.
• Viel diskutiert wird Wasserstoff als Energieträger, doch gibt es bis heute noch kein marktfähiges und wirtschaftliches Konzept für die Lagerung und die Distribution in kleinen Skalen. Die Generierung von hochreinem Wasserstoff nach Bedarf – beispielsweise in Reformern – verschlechtert den Gesamt-Wirkungsgrad weiter, außerdem werden u.U. noch zusätzlich teure Katalysatoren benötigt.
• Direkt-Methanol-Brennstoffzellen für den mobilen Einsatz sind im Markt bereits vertreten. Die Kilowattstunde kostet im Dauerbetrieb etwa zwanzigmal so viel wie der „Strom aus der Steckdose", wobei der Löwenanteil der Kosten durch die geringe Lebensdauer der Brennstoffzellen verursacht wird. Nur ein Bruchteil der Kosten entfällt auf den Brennstoff. Daher kommt dieser Brennstoffzellentyp in erster Linie dort zum Einsatz, wo der Strompreis keine große Rolle spielt, wo es aber darauf ankommt, eine große Energiemenge bei geringem Gewicht und wenig mittlerer elektrischer Leistung wartungsfrei zur Verfügung zu stellen, um beispielsweise Akkumulatoren zu puffern. Militärische Anwendungen und die Freizeitbranche sind typische Einsatzgebiete. – Ansonsten ist die Verstromung von Methanol oder anderen Energieträgern mit Wärmekraftmaschinen Stand der Technik und führt zu erheblich preisgünstigerer Elektrizität als die Stromerzeugung in Brennstoffzellen.
• PEM-Brennstoffzellen für Wasserstoffbetrieb erzielen hohe Leistungsdichten bei geringer Temperatur – was zu Kühlproblemen führt. Der Wasserstoff muss sehr rein sein, weil sonst die ohnehin kurze Lebensdauer noch weiter reduziert wird. Wegen der erwähnten Probleme ist es keinesfalls gewiss, ob dieser ansonsten einfache Brennstoffzellentyp im 50 kW-Bereich, wie es für Kraftfahrzeuganwendungen gefordert wird, jemals gegen Wärmekraftmaschinen wird konkurrieren können.
• Alkalische Brennstoffzellentypen werden serienmäßig in U-Booten und in Raumfahrzeugen eingesetzt, also dort, wo die Stromkosten nur eine untergeordnete Rolle spielen. Weil die Umgebungsluft Kohlendioxid enthält, wird dieser Brennstoffzellen-Typ in der Fachwelt nicht als Kandidat für mobile terrestrische Brennstoffzellen-Systeme angesehen.
• PA-Brennstoffzellen sind für Wärme-Kraft-Kopplung derzeit das aussichtsreichste Konzept. Für mobile Anwendungen sind sie nicht gut geeignet, weil die Brennstoffzellen, wenn sie einmal gestartet worden sind, während der gesamten Lebensdauer nicht ein einziges Mal unter ca. 45°C abkühlen dürfen, weil sonst der Elektrolyt irreversibel kristallisiert. Eine Variante als HTPEMBZ (Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle) für Mobilanwendungen wird derzeit diskutiert.
• Hochtemperatur-Brennstoffzellen MCFC und SOFC stehen anscheinend an der Schwelle zur Marktreife. Für mobile Anwendungen sind sie nicht gut geeignet, weil die Systemsteuerung sehr träge reagiert: Das Hochfahren einer Anlage dauert Stunden. Die Haltbarkeit kann mit der von Wärmekraftmaschinen – beispielsweise Gasturbinen – noch nicht mithalten.
• Als Brennstoff wird auch Zink in Form poröser Presslinge diskutiert, jedoch ist die „Betankung" mit schweren Kassetten wahrscheinlich nicht im Markt durchzusetzen. Die Technik erscheint aber beherrschbar, wie Feldversuche zeigen – selbst bei tiefen Temperaturen.
• Bei der Diskussion um Brennstoff für Brennstoffzellen sowie um nachwachsende Rohstoffe wird auch immer wieder das Fischer-Tropsch-Verfahren in seiner ausgefeilten modernen Form, dem Carbo-V-Verfahren, genannt. In der Tat kann auf diesem Wege ziemlich alles, was Kohlenstoff und chemische Energie enthält, mit gutem Wirkungsgrad zu reinen Kohlenwasserstoffen verarbeitet werden. Bestimmte Ausgangsprodukte werden auch heute schon Treibstoffen für Straßenfahrzeuge beigemischt. Denkbar ist aber auch die Synthese von hochreinem Brennstoff für Brennstoffzellen – insbesondere auch aus Biomasse und Hausmüll.
• AUFGABE DER ERFINDUNG
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoff zu finden, der in Brennstoffzellen mit gutem Gesamt-Wirkungsgrad verstromt werden kann. Die Aspekte der Nachhaltigkeit und der Umwelt-Verträglichkeit sind zu berücksichtigen. Die Aufgabe besteht insbesondere auch darin, eine kostengünstige Brennstoffzellen-Anordnung für Alkali- und Erdalkali-Metalle zu finden, die für den mobilen Einsatz geeignet ist, in einem sehr weiten Temperaturbereich betrieben werden kann, wenig wiegt, lange hält und steuerungstechnisch hoch dynamisch zu beherrschen ist.
• LÖSUNG
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle als Brennstoff für neuartige Brennstoffzellen eingesetzt werden.
• Es ist wenig bekannt, dass sich Alkali- und Erdalkali-Metalle hervorragend als Energieträger eignen. Sie können ohne den Einsatz teurer Katalysatoren mit dem Luftsauerstoff zu Oxiden oder mit Wasser zu Hydroxiden umgesetzt werden. Insbesondere Lithium und Beryllium enthalten auf die Masse bezogen sehr viel Energie. Die Reaktionsprodukte aller Alkali- und Erdalkali-Metalle lassen sich mit sehr gutem Wirkungsgrad in einem Recycling-Prozess wieder aufbereiten – eine entscheidende Rolle spielt in diesem Zusammenhang die Chlor-Alkali-Schmelzflusselektrolyse. Im Prinzip kommen auch Metalle wie Zink, Aluminium oder das Halbmetall Silizium in Betracht.
• Alkali-Metalle haben eine besondere Eigenschaft, die sie zu Brennstoff-Kandidaten machen. Beispielsweise sind Legierungen von Alkalimetallen möglich, die bis zu extrem tiefen Temperaturen flüssig sind. Damit wäre das Problem der Lagerung und der Distribution relativ leicht zu lösen. Im Gegensatz zu gängigen Treibstoffen darf dieser metallische Treibstoff aber weder mit Luft noch Wasser in Berührung kommen. Dies ist der Preis dafür, dass kein Katalysator für die kalte Verbrennung in der Brennstoffzelle benötigt wird.
• Auch unter Umweltaspekten weisen Alkali- und Erdalkali-Metalle sowie deren Reaktionsprodukte und der alkalische Elektrolyt günstige Eigenschaften auf. Ein geschlossener Kreislauf ist möglich. Sollte Brennstoff oder Reaktionsprodukt unkontrolliert in die Umwelt geraten, neutralisiert das Kohlendioxid der Erdatmosphäre in kurzer Zeit die Substanzen, wobei harmlose Stoffe entstehen – beispielsweise Kalk oder Natriumcarbonat, wie es im Backpulver oder in Brausetabletten zu finden ist.
• BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Die Brennstoffzelle, mit der Alkali- und Erdalkali-Metalle verstromt werden, ähnelt dem Aufbau der Zink-Luft-Zelle, wie sie in Knopfform beispielsweise in Hörgeräten eingesetzt wird. Anstelle eines Zink-Presslings wird hier aber Metall in flüssiger oder pasteuser Form umgesetzt.
• Je nach Zusammensetzung des Brennstoffs liefert eine Zelle bei Vollast ca. 2,5 V, also etwa das Vierfache einer PEM-Brennstoffzelle bei Wasserstoffbetrieb. Für Systeme im Kilowattbereich, wie sie in manchen mobilen Anwendungen gefordert werden, müssen mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden, um zu beherrschbaren Strömen zu kommen: Für elektrische Antriebe und preisgünstige Steuergeräte wäre bei gegebener elektrischer Leistung eine hohe Spannung – Größenordnung 500 V – bei mittlerem Strom – Größenordnung 100 A – vorteilhaft. Dies lässt sich durch Reihenschaltung mehrerer Brennstoffzellen erreichen. Die Kosten für Brennstoffzellen für eine bestimmte Leistung sind dagegen geringer, wenn der Strom hoch und die Spannung klein ist. Daher besteht in konkreten Fällen eine Optimierungsaufgabe, die für den jeweilige Fall zu lösen ist.
• Weil flüssige Metalle den elektrischen Strom leiten, ist es nicht möglich, den Brennstoff für mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen in einem einzigen permanent aktiven Kreislauf umzuwälzen, denn dies würde zum Kurzschluss der gesamten Batterie führen. Zwei Lösungswege sind möglich: Kleine Brennstoffzellen mit Absperrschiebern, die nacheinander oder in Gruppen durch Luftabschluss deaktiviert und in den Brennstoff-Kreislauf einbezogen werden, in dem die Reaktionsprodukte ausgefiltert werden, und in dem Treibstoff aus einem Tank nachgespeist wird. Die zweite Möglichkeit besteht darin, vergleichsweise große Brennstoffzellen im spannungslosen Zustand ausschließlich beim Betanken zu befüllen und auf einen lokalen Kreislauf und einen separaten Tank gänzlich zu verzichten – bei Luftabschluss sind alle Zellen nach sehr kurzer Zeit spannungsfrei, damit können alle Ventile gleichzeitig geöffnet werden. Somit kann der alte Brennstoffrest mit den Reaktionsprodukten sehr rasch entleert und durch frischen Brennstoff ersetzt werden. Bei einem solchen Konzept sind Maßnahmen erforderlich, um die Reaktionszone im laufenden Betrieb von den Reaktionsprodukten frei zu halten. – In Chemielabors kennt man Rührmechanismen, die mit rotierenden Magneten arbeiten – auf ähnliche Weise kann auch die Reaktionszone am Separator im Betrieb frei gehalten werden.
• Die Abluft der Kathodenseite ist weitestgehend sauerstofffrei, sie enthält praktisch nur Stickstoff und das Edelgas Argon. Dieses Produkt kann als Schutzgas verwendet werden, beispielsweise zum Freiblasen der Brennstoffzellen vor dem Betanken, zum Befüllen von Autoreifen oder als Schutzgas zum Schweißen.
• Bei der neuartigen Brennstoffzelle (1) besteht im Gegensatz zu allen bekannten Ausführungen der Brennstoff (4) aus Metall oder einer Metall-Suspension. Vorzugsweise werden Alkali- oder Erdalkalimetalle in flüssiger oder pasteuser Form kalt mit Luftsauerstoff verbrannt. Die entstehenden Reaktionsprodukte werden beispielsweise durch eine Rührvorrichtung aus der Reaktionszone entfernt.
• Die Luft muss vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle konditioniert werden. Das Kohlendioxid oder andere saure Luftbestandteile müssen weitestgehend aus der Luft entfernt werden – dies geschieht beispielsweise in einem hier nicht näher dargestellten nass-alkalischen Filter. Dieser ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.
• KURZBESCHREIBUNG DER FIGUR
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert und beschrieben.
• 1 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer Brennstoffzelle für Alkali- oder Erdalkalimetall. Die Anode (1) wird hier beispielhaft als Tiegel ausgeführt, in die über hier nicht dargestellte Ventile flüssiger oder pasteuser Brennstoff (4) eingebracht wird. Dieser wird mit einem Separator-Vlies (5) abgedeckt, und dieser ist mit einer starken Lauge getränkt, beispielsweise Kalilauge oder einem Gel von Kaliumsilikatlösung in Kalilauge. Die Kathode (2) erlaubt dem Luftsauerstoff über feine Durchtrittsöffnungen (3) den Zugang zum Separator (5). An dessen Oberfläche wird der Luftsauerstoff durch Elektronenaufnahme aus der Kathode reduziert. Die entstehenden Ionen diffundieren im Elektrolyt durch den Separator und bilden auf der Brennstoffseite als Reaktionsprodukte Oxide oder Hydroxide der eingesetzten Brennstoff-Metalle, wobei Elektronen an die Anode abgegeben werden. Anode und Kathode werden durch eine elektrisch nichtleitende Dichtung (6) getrennt. Vorzugsweise werden Anode und Kathode aus elektrisch leitenden Kunststoffen hergestellt, vorzugsweise Graphit-Compounds, aber auch Ausführungen aus Metall sind möglich.

1

Anode – hier als Tiegel ausgebildet

2

Kathode mit Durchtrittsöffnungen für konditionierte Luft

3

Durchtrittsöffnungen

4

metallischer Brennstoff oder Metall-Suspension

5

Separator und alkalischer Elektrolyt

6

elektrisch nichtleitende Dichtung

Claims (16)

1. Brennstoffzelle für metallischen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1) als Behälter ausgebildet ist, in der sich der Brennstoff (4) befindet, und dieser von einer Elektrolytschicht (5) bedeckt ist, die aus einem oder aus zwei Separatoren und dem flüssigen alkalischen Elektrolyt besteht, vorzugsweise aus Kalilauge, die vorzugsweise an ein Gel oder eine Gewebematrix gebunden ist, und diese Elektrolytschicht (5) von der Kathode (2) mit Durchbrüchen (3) für die Zuführung des Luftsauerstoffs bedeckt ist.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff aus einer im gesamten Betriebstemperaturbereich flüssigen Legierung besteht.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff aus einer im gesamten Betriebstemperaturbereich flüssigen oder pasteusen Suspension besteht.
4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff durch eine oder mehrere Pumpen umgewälzt wird und dem Brennstoff in einem Brennstoffkreislauf die Reaktionsprodukte entzogen werden und verbrauchter Brennstoff durch frischen Brennstoff ersetzt wird.
5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Brennstoff befindlicher Rührkörper mit Hilfe eines außerhalb befindlichen Permanentmagneten oder Elektromagneten den Brennstoff durchmischt und damit die Reaktionsprodukte aus der Reaktionszone entfernt.
6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit vorgeschaltetem alkalischem Filter versehene Gasreinigungseinheit die als Oxidator verwendete Luft weitgehend von Kohlendioxid und anderen sauren Bestandteilen befreit.
7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpwirkung durch ein mit Hilfe von Elektromagneten oder bewegten Permanentmagneten veränderliches magnetisches Feld und die im Brennstoff induzierten Wirbelströme erzielt wird.
8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluft-Zufuhr mechanisch nur so weit freigegeben wird, wie es zum Erzielen der geforderten elektrischen Leistung nötig ist.
9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verbrauchte Luft ganz oder teilweise in einem nachgeschalteten Gasbehälter aufgefangen und als Schutzgas verwertet wird.
10. Brennstoffzellensystem aus mehreren Brennstoffzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelzelle mit zwei steuerbaren Ventilen versehen ist, durch die Brennstoff und Reaktionsprodukte eingefüllt und abgelassen werden können.
11. Brennstoffzellensystem aus mehreren Brennstoffzellen nach Anspruch 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum raschen Betanken die Luftzufuhr gemäß Anspruch 8 gesperrt wird, der restliche Sauerstoff in den Zellen durch kurzzeitiges Zuschalten von Verbrauchern restlos aufgezehrt wird, wodurch alle Zellen spannungslos werden, und danach alle Zellen gleichzeitig entleert und mit neuem Brennstoff befüllt werden, und nach dem Befüllen alle Ventile aus Anspruch 10 wieder verschlossen werden.
12. Brennstoffzellensystem aus mehreren Brennstoffzellen nach Anspruch 8, 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen in Gruppen aufgeteilt sind, die nacheinander aus einem Tank als Gruppe und nacheinander während des Betriebes betankt werden, indem sie kurzzeitig durch Absperren der Luftzufuhr spannungslos geschaltet und unmittelbar danach kurzgeschlossen oder ganz aus dem System geschaltet werden.
13. Brennstoffzellensystem aus mehreren Brennstoffzellen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verbrauchte Luft beim Betanken als Schutzgas verwendet wird, indem beim Betanken zunächst die Brennstoffreste und Reaktionsprodukte mit dem komprimierten Schutzgas ausgetrieben werden, und anschließend der frische Brennstoff in die Zellen gepresst wird.
14. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode auf der Brennstoffzellen-Innenseite mit Laser oder Sandstrahlen bzw. Korundstrahlen aufgeraut wird oder mit leitfähigem Flock versehen wird, womit durch die vergrößerte Oberfläche die Reduktion des Luftsauerstoffs im alkalischen Milieu des Elektrolyt erleichtert und damit die Leistungsdichte verbessert wird.
15. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus einem Gemisch von Alkali-Silikat-Lösung und Kali- oder Natronlauge besteht.
16. Brennstoffzelle nach einem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verbrauchte Luft als inertes Kühlmittel für die Temperatursteuerung der Brennstoffzellenanordnung eingesetzt wird.