DE102008024190A1

DE102008024190A1 - Brennstoffzelle, Ver- und Entsorgungseinheit für Brennstoffzellen und Verfahren zur Entfernung von Reaktionsprodukten aus Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102008024190A1
Application number: DE102008024190A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Wachtel; Matthias Krieg; Thomas Dipl.-Ing. Jungmann; Michael Oszcipok
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-11-26
Also published as: US20090286113A1; JP2009283460A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, in welcher die Entsorgung von Reaktionsprodukten besonders vorteilhaft möglich ist, sowie eine Ver- und Entsorgungseinheit, welche Teil einer solchen Brennstoffzelle sein kann oder an eine solche Brennstoffzelle angeschlossen werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Entsorgung von Reaktionsprodukten aus Brennstoffzellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, in welcher die Entsorgung von Reaktionsprodukten besonders vorteilhaft möglich ist sowie eine Ver- und Entsorgungseinheit, welche Teil einer solchen Brennstoffzelle sein kann oder an eine solche Brennstoffzelle angeschlossen werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Entsorgung von Reaktionsprodukten aus Brennstoffzellen.
Brennstoffzellen wandeln Reaktionsedukte unter Erzeugung von elektrischer Energie in Reaktionsprodukte um. Hierfür müssen die Reaktionsedukte der Brennstoffzelle aus einem Tank zugeführt werden und die Reaktionsprodukte ausgetragen oder entfernt werden. Sowohl Reaktionsedukte wie auch Reaktionsprodukte können flüssig oder gasförmig sein. Mögliche Reakti onsedukte sind beispielsweise Wasser, Alkohol, Wasserstoff und Sauerstoff. Reaktionsprodukte können beispielsweise Wasser, CO₂ und andere sein.
Problematisch ist insbesondere der Abtransport bzw. die Entfernung der Reaktionsprodukte. Vor allem bei gasförmigen Produkten können entstehende Gasblasen in die Edukte verteilenden Gasverteilerstrukturen der Brennstoffzelle (Flowfield) den An- und Abtransport von Brennstoff behindern und dadurch das Betriebsverhalten der Brennstoffzelle beeinträchtigen. Die Problematik des Produktabtransports wird dadurch weiter verstärkt, dass in vielen Typen von Brennstoffzellen der Reaktionsraum der Brennstoffzelle und/oder der Anodenraum der Brennstoffzelle abgeschlossen sein müssen, damit insbesondere gasförmige Edukte und/oder Produkte nicht ungehindert in die Umgebung gelangen.
Die genannten Probleme treten insbesondere auch bei Direktalkoholbrennstoffzellen auf, bei welchen Alkohol und Sauerstoff in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt wird. Bei flüssig betriebenen Direktalkoholbrennstoffzellen entsteht hier ein Zweiphasengemisch mit CO₂ und Wasser. Werden die Kohlendioxidgasblasen nicht aus der Brennstoffzelle entfernt, behindern sie wie oben beschrieben den Brennstofftransport. Zudem erhöht sich durch das entstehende CO₂ der Druck im System, wodurch das Betriebsverhalten ebenfalls beeinträchtigt wird. Darüberhinaus blockiert das Kohlendioxid auch die Katalysatorplätze mit dem Effekt, dass der Brennstoff nicht ungehindert katalytisch reagieren kann.
Im Stand der Technik wurde beispielsweise bei Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFCs) das entstehende CO₂ über den Brennstoff aus dem Reaktionsraum geleitet.
Anschließend konnte über eine Phasentrennmembran (CO₂-Membran) das CO₂ aus dem System an die Umgebung abgeführt werden. Bei dampfförmig oder gasförmig betriebenen, passiven Direktmethanolbrennstoffzellen, in denen kein Brennstoff zirkuliert und in welchen im Reaktionsraum ein Methanol-CO₂-Gemisch entsteht, wurde vorgeschlagen, dass CO₂ über eine Auslassöffnung, in welcher ein CO₂-Membran, also eine semipermeable Gastrennmembran, angeordnet ist, abzuführen. Problematisch ist bei den Lösungen nach dem Stand der Technik, dass aufgrund der geringen Selektivität der Membranen nicht gewährleistet werden kann, dass kein Methanol entweicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle, eine Ver- und Entsorgungseinheit für Brennstoffzellen sowie ein Verfahren zur Entfernung von Reaktionsprodukten aus Brennstoffzellen anzugeben, die es erlauben, Reaktionsprodukte einfach und sicher aus der Brennstoffzelle zu entfernen, ohne dass weitere Substanzen austreten. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle, die Ver- und Entsorgungseinheit sowie das Verfahren sollten möglichst leicht und kostengünstig herstellbar bzw. betreibbar und durchführbar sein.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die Ver- und Entsorgungseinheit nach Anspruch 14 sowie das Verfahren zur Entfernung von Reaktionsprodukten aus Brennstoffzellen nach Anspruch 16. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, der Ver- und Entsorgungseinheit sowie des Verfahrens werden durch die jeweiligen abhängigen Ansprüche gegeben.
Erfindungsgemäß wird zumindest ein in einer Brenn stoffzelle entstehendes Reaktionsprodukt mittels zumindest eines chemischen Adsorbers absorbiert. Das Reaktionsprodukt kann beispielsweise CO₂ sein.
Vorzugsweise ist der zumindest eine chemische Absorber in einem Behälter, im Folgenden Absorberbehälter genannt, angeordnet, der mit einem Reaktionsraum der Brennstoffzelle und/oder einem Anodenraum und/oder ein Kathodenraum der Brennstoffzelle über zumindest eine Leitung, welche für das Reaktionsprodukt durchlässig ist, verbunden ist. Die Leitung kann generell gas- und/oder flüssigkeitsdurchlässig sein, es ist aber auch möglich, dass in der Leitung Filter und/oder Membranen, insbesondere semipermeable Membranen, angeordnet sind, welche nur für das oder die Reaktionsprodukte durchlässig sind.
Der Absorberbehälter kann auch direkt am Reaktionsraum und/oder am Anodenraum und/oder Kathodenraum der Brennstoffzelle so angeordnet sein, dass das Reaktionsprodukt vom entsprechenden Raum in den Absorberbehälter gelangen kann. Insbesondere ist es auch möglich, dass der Absorber im entsprechenden Raum selbst angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der Absorber mit dem Reaktionsraum und/oder vom Anodenraum und/oder dem Kathodenraum über zumindest eine Membran, vorzugsweise eine Phasentrennmembran, verbunden.
Bevorzugterweise kann der Absorber so angeordnet und/oder ausgestaltet sein, dass er mit einem Tank der Brennstoffzelle gemeinsam anschließbar, entfernbar und/oder auswechselbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Brennstoffzelle in nur einem Schritt gewartet werden kann, in welchem einerseits neuer Brenn stoff im Tank zur Verfügung gestellt wird, und andererseits verbrauchter Absorber ausgetauscht wird und/oder regeneriert wird.
Besonders vorteilhaft lässt sich eine solche Ausführungsform realisieren, wenn der Tank und der Absorberbehälter als bauliche Einheit ausgeführt werden. Tank und Absorberbehälter sind dann also vorzugsweise zwei Behälter und/oder Räume, zwischen denen vorzugsweise kein direkter Gas- oder Flüssigkeitsaustausch stattfinden kann, die jedoch zusammenhängen, miteinander verbunden, aneinander angeordnet und/oder aneinander angrenzend ausgeführt sind. So können der oder die Tanks sowie der oder die Absorberbehälter als Hohlkörper, ggf. mit Absorbermaterial gefüllt, ausführt sein, die zusammensteckbar, zusammengeklebt, zusammengeschweißt sein können oder die in einem Gesamtvolumen bestehen können, welches durch ein oder mehrere Trennwände in Tank und Absorberbehälter unterteilt sind. Beispielsweise können auch Tank und Absorberbehälter ein gemeinsames quaderförmiges, vorzugsweise flächig ausgedehntes, Volumen bilden, wobei der Absorberbehälter ein den Tank umgebendes Volumen ist oder der Tank ein den Absorberbehälter umgebendes Volumen ist. Tank und Absorber können hierbei jeweils eine Ausdehnung des Gesamtvolumens, wie beispielsweise die Tiefe, vollständig ausfüllen und einander in der beschriebenen Weise in den beiden anderen Dimensionen umgeben. Der Reaktionsraum und/oder der Anodenraum und/oder der Kathodenraum der Brennstoffzelle sind in diesem Fall vorzugsweise so angeordnet, dass eine Verbindung mit dem Tank und dem Absorber besteht oder herstellbar ist. Ist das oben beschriebene gemeinsame Volumen von Tank und Absorberbehälter ein flächig ausgedehnter Quader, so kann beispielsweise der Reaktionsraum und/oder der Anodenraum und/oder der Kathodenraum der Brennstoffzelle ebenfalls flächig ausgedehnt sein und mit einer seiner beiden großen Oberflächen an eine der großen Oberflächen des gemeinsamen Volumens aus Tank und Absorber oder zum Teil an Tank und zum Teil an Absorber oder nur an den Tank angrenzen. Vorzugsweise ist jedoch zwischen dem entsprechenden Raum der Brennstoffzelle und dem entsprechenden Behälter bzw. Tank zumindest ein Verschluss angeordnet, mit welchem der Transport von Edukten und Produkten in die Brennstoffzelle oder aus der Brennstoffzelle steuerbar und/oder regelbar ist.
Besonders vorteilhaft ist eine gemeinsame Ausführung von Absorberbehältern und Tanks, welche gemeinsam mit einer Brennstoffzelle verbindbar sind. Die Leitungen, welche vom Tank zur Brennstoffzelle führen und welche vom Absorberbehälter zur Brennstoffzelle führen, können hierbei als Steckverbindungen ausgebildet sein, die in entsprechende Buchsen in der Brennstoffzelle steckbar sind. Besonders bevorzugt ist aber auch eine Anordnung, in welcher die genannten Verbindungen von Tank und Absorber als getrennte Kanäle in einer einzelnen Steckverbindung ausgebildet sind. In diesem Fall kann z. B. ein Kanal, welcher in der Steckverbindung verläuft, durch eine Zwischenfläche in zwei unabhängige Kanäle unterteilt sein.
Es ist bevorzugt, wenn die Brennstoffzelle und/oder der Absorberbehälter und/oder der Tank gemeinsam ein geschlossenes System bilden, d. h. dass im verbundenen Zustand keine Stoffe aus dem gemeinsamen System ungewollt entweichen können. Das geschlossene System ist aber vorzugsweise so ausgeführt, dass die Brennstoffzelle, die Absorberräume und/oder die Tanks wie oben beschrieben verbindbar und/oder trennbar sind. Auch ist es möglich, verschließbare Öffnungen an einer o der mehrerer der genannten Einheiten anzuordnen, welche eine direkte Befüllung oder direkte Entleerung des entsprechenden Elements mit Produkten und/oder Edukten ermöglichen.
Vorteilhafterweise kann der Absorberbehälter so angeordnet und/oder so ausgestaltet sein, dass Reaktionswärme und/oder Reaktionswasser, welches bei der Absorption des oder der Produkte durch den Absorber frei wird, für die Reaktion der Brennstoffzelle nutzbar ist.
Hierzu kann beispielsweise bei dampfförmig betriebenen Direktalkoholbrennstoffzellen die Reaktionswärme aus der Absorption über den Absorberbehälter an den Tank übertragen werden. Hierzu kann der Absorberbehälter um den Tank herum angeordnet sein. Vorzugsweise weist der Absorberbehälter bzw. dessen Wand ein gut wärmeleitfähiges Material wie beispielsweise Metall auf oder besteht daraus.
Die zum Tank übertragene wärme erhöht dann die Verdampfungs- und/oder Verdunstungsrate des Alkohols, wodurch mehr Alkohol in den Reaktionsraum gelangen kann wodurch das Betriebsverhalten gesteigert bzw. verbessert würde. Generell kann vorteilhafterweise die Reaktionswärme der Absorption über Wärmeüberträger beispielsweise zum Tank und/oder zum Reaktionsraum der Brennstoffzelle geleitet werden und somit sich dort jeweils positiv auf das Betriebsverhalten der Brennstoffzelle auswirken. Des Weiteren kann die Reaktionswärme und das Reaktionswasser der Absorption über erzwungene Strömungen zur Reaktionsraum transportiert werden. Eine erzwungene Strömung kann beispielsweise wie oben beschrieben durch Druckdifferenzen erzielt werden. Als weitere Möglichkeit für den Reaktionswasserabtransport aus dem Absorptionsbehälter kann bei geeigneten Anordnungen des Brennstoffzellensystems auch eine Neigung zum Ablaufen oder ein Ablauf oder ein Sammelbecken mit einer Schlauchverbindung zum Reaktionsraum realisiert werden.
Als Absorber kommen unter anderem chemische Absorber wie Atemkalk, Ca(OH)₂ und andere infrage.
Die Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung sind bevorzugterweise Direktalkoholbrennstoffzellen und/oder Direktmethanolbrennstoffzellen. Diese Brennstoffzellen können flüssig betriebene Brennstoffzellen, gasförmig betriebene Brennstoffzellen oder dampfförmig betriebene Brennstoffzellen sein.
Es ist bevorzugt, wenn der Absorberbehälter in seinem Inneren so strukturiert ist, dass das oder die zu absorbierenden Reaktionsprodukte im Absorberbehälter verteilbar sind, so dass die Produkte möglichst schnell zum Absorber gelangen und/oder möglichst gleichmäßig über den oder im Absorber verteilt werden und/oder eine möglichst große Oberfläche des Absorbers erreichen. Hierzu können im Absorberbehälter Strömungskanäle, Verengungen, Aufweitungen und/oder Prallbleche angeordnet sein.
Vorzugsweise ist der Absorber und/oder der Absorberbehälter so ausgestaltet, dass durch Partialdruckunterschiede und/oder Partialdruckänderungen, die durch Absorption von Reaktionsprodukten im Absorber entstehen, der Fluss des Reaktionsproduktes in und/oder durch den Absorber antreibbar oder beschleunigbar ist. Hierzu kann beispielsweise der Absorberbehälter druckdicht mit dem Reaktionsraum und/oder dem Anodenraum verbunden sein, so dass durch einen Unterdruck im Absorberbehälter Reaktionsprodukte aus der Brennstoffzelle in den Absorberbehälter gesaugt werden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert werden. Die in den Figuren gezeigten Merkmale können erfindungsgemäß auch einzeln realisiert sein und sind miteinander aus verschiedenen Beispielen kombinierbar.
Es zeigt
1 eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
2A eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle in der Seitenansicht und
2B die zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle aus 2A in der Draufsicht.
1 zeigt beispielhaft eine erste mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Die gezeigte Brennstoffzelle ist eine Direktalkoholbrennstoffzelle. Sie weist einen Tank 1 auf, in welchem Alkohol gespeichert werden kann. Der Tank 1 ist mit einem Reaktionsraum 2 einer Direktalkoholbrennstoffzelle über eine für Alkohol durchlässige Leitung 4 verbunden. Über die Leitung 4 ist also das Reaktionsedukt Alkohol aus dem Tank 1 in den Reaktionsraum 2 der Brennstoffzelle leitbar.
Die gezeigte Brennstoffzelle weist darüberhinaus einen Absorberbehälter 3 auf, welcher mit dem Reaktionsraum 2 über eine für das Reaktionsprodukt, hier Kohlendioxid, durchlässige Leitung 5 verbunden ist. Über die Leitung 5 ist also im gezeigten Beispiel Kohlendioxid vom Reaktionsraum in den Absorberbehälter 3 leitbar. Im Absorberbehälter 3 ist zumindest ein chemischer Absorber untergebracht.
2A zeigt beispielhaft eine zweite mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Hierbei bilden ein Tank 1 und ein Absorberraum 3 ein hauptsächlich flächig ausgedehntes gemeinsames quaderförmiges Volumen. Im Absorberraum 3 ist wiederum zumindest ein chemischer Absorber angeordnet und im Tank 1 kann zumindest ein Brennstoff wie beispielsweise Alkohol eingefüllt sein. Der Tank 1 ist über einen Verschluss 6 mit einem Reaktionsraum 2 einer Brennstoffzelle verbunden. Über den Verschluss 6 kann also Brennstoff aus dem Tank 1 in den Reaktionsraum 2 strömen. Darüberhinaus kann über den Verschluss zumindest ein Reaktionsprodukt aus dem Reaktionsraum 2 in den Absorberbehälter 3 strömen. Die gezeigte Anordnung ist vor allem dann vorteilhaft, wenn eine kompakte Anordnung erwünscht ist.
2B zeigt die 2A gezeigte Brennstoffzelle in der Aufsicht. Zu erkennen ist, dass der Tank 1 und der Absorberraum 3 eine gemeinsame große rechteckige Oberfläche bilden. In dieser großen Oberfläche des gemeinsamen flächigen Volumens umgibt der Absorberbehälter 3 den Tank 1, wobei, wie in 2A zu erkennen ist, der Tank 1 und der Absorberbehälter 3 die gleiche Höhe senkrecht zu dieser großen Oberfläche haben.

Claims

Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch zumindest einen chemischen Absorber, mit welchem zumindest ein in der Brennstoffzelle entstehendes Reaktionsprodukt absorbierbar ist.
Brennstoffzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt CO₂ enthält oder ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber in einem Absorberbehälter angeordnet ist, der mit einem Reaktionsraum und/oder einem Anodenraum der Brennstoffzelle über eine für das Reaktionsprodukt durchlässige Leitung verbunden ist.
Brennstoffzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum und/oder der Anodenraum mit dem Absorberbehälter über zumindest eine Phasentrennmembran verbunden ist.
Brennstoffzelle nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberbehälter mit einem Tank der Brennstoffzelle als bauliche Einheit ausgestaltet ist.
Brennstoffzelle nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberbehälter mit einem oder dem Tank als ge meinsame Kartusche ausgebildet ist, die mit der Brennstoffzelle so verbindbar ist, dass zwischen dem Tank und dem Reaktionsraum und/oder Anodenraum eine für einen Brennstoff durchlässige Verbindung hergestellt wird und zwischen dem Absorberbehälter und dem Reaktionsraum oder Anodenraum eine für das Reaktionsprodukt durchlässige Verbindung hergestellt wird, wobei vorzugsweise der Tank und der Absorberbehälter gemeinsam mit dem Reaktionsraum verbindbar sind.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber Atemkalk und/oder Ca(OH)₂ enthält oder daraus besteht.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle und/oder der Absorberbehälter und/oder der Tank gemeinsam ein geschlossenes System bilden.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberbehälter so angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass bei Absorption des Reaktionsprodukts durch den Absorber freiwerdende Reaktionswärme und/oder freiwerdendes Reaktionswasser für die Brennstoffzellenreaktion nutzbar ist, vorzugsweise, dass der Absorberbehälter den Tank umgebend, vorzugsweise mit dem Tank in thermisch leitender Verbindung, angeordnet ist und/oder dass der Absorberbehälter ein wärmeleitfähiges Material aufweist oder daraus besteht und/oder dass zwischen dem Absorberbehälter und dem Tank und/oder zwischen dem Absorberbehälter und dem Reaktionsraum und/oder dem Anodenraum zumindest ein Wärmeüberträger angeordnet ist
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine Direktalkoholbrennstoffzelle und/oder eine Direktmethanolbrennstoffzelle ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine flüssig betriebene Brennstoffzelle oder eine gasförmig betriebene Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberbehälter zumindest einen Strömungskanal und/oder zumindest eine Verengung und/oder zumindest ein Prallblech aufweist, mit dem das Reaktionsprodukt durch den Absorberbehälter leitbar ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberbehälter so ausgestaltet ist, dass durch die Absorption des Reaktionsproduktes im Absorber entstehende Druck- und/oder Partialdruckunterschiede und/oder -veränderungen der Fluss des Reaktionsprodukts in und/oder durch den Absorber angetrieben wird.
Ver- und Entsorgungssystem für eine Brennstoffzelle mit zumindest einem Tank für zumindest einen Brennstoff und mit zumindest einem Absorberbehälter, in welchem zumindest ein Absorber angeordnet ist, wobei das Ver- und Entsorgungssystem so an eine Brennstoffzelle anschließbar ist, dass zumindest ein Brennstoff aus dem Tank in einen Reaktionsraum der Brennstoffzelle fließen oder strömen kann und dass zumindest ein Reaktionsprodukt aus dem Reaktionsraum und/oder Anodenraum der Brennstoffzelle in den Absorberbehälter fließen oder strömen kann.
Ver- und Entsorgungssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver- und Entsorgungssystem an eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13 anschließbar ist oder Teil einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.
Verfahren zur Entfernung von Reaktionsprodukten aus Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt mittels eines Absorbers absorbiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.