DE102010041465B4 - Brennstoffzellensystem mit Direktmethanolbrennstoffzelle und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit Direktmethanolbrennstoffzelle und Verfahren zu dessen Betrieb Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem (10) mit mindestens einer Direktmethanolbrennstoffzelle (12) zur Umsetzung von Methanol mit Sauerstoff, wobei der mindestens einen Direktmethanolbrennstoffzelle (12) kathodenseitig (16) ein Sauerstoff enthaltendes Oxidatorgas (24) zuführbar ist unter Bildung eines an Sauerstoff abgereicherten Kathodenabgases (30), wobei das Brennstoffzellensystem (10) eine Befeuchtungseinrichtung (18) umfasst, die einen direkten Übertritt von Wasser aus dem Kathodenabgas (30) in das Oxidatorgas (24) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchtungseinrichtung (18) ein erster Wasserabscheider (26) zur Abtrennung von flüssigem Wasser aus dem Kathodenabgas (30) vorgeschaltet und ein zweiter Wasserabscheider (28) nachgeschaltet ist, wobei das aus dem Kathodenabgas (30) abgetrennte Wasser einem Methanol enthaltenden Medium (32) zuführbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Direktmethanolbrennstoffzelle zur Umsetzung von Methanol mit Sauerstoff, wobei der mindestens einen Direktmethanolbrennstoffzelle kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Oxidatorgas zuführbar ist unter Bildung eines an Sauerstoff abgereicherten Kathodenabgases, und wobei das Brennstoffzellensystem eine Befeuchtungseinrichtung umfasst, die einen direkten Übertritt von Wasser aus dem Kathodenabgas in das Oxidatorgas ermöglicht.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem durch mindestens eine Direktmethanolbrennstoffzelle Methanol mit Sauerstoff umgesetzt wird, wobei der mindestens einen Direktmethanolbrennstoffzelle kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Oxidatorgas zugeführt wird und ein an Sauerstoff abgereichertes Kathodenabgas abgeführt wird, und wobei das Oxidatorgas und das Kathodenabgas durch eine Befeuchtungseinrichtung geführt werden, sodass Wasser direkt aus dem Kathodenabgas in das Oxidatorgas übertritt.
  • Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) können im Gegensatz zu den meisten anderen Brennstoffzellentypen mit einem flüssigen, drucklos speicherbaren Brennstoff (Methanol bzw. ein Methanol/Wasser-Gemisch) betrieben werden und ermöglichen daher einen vielfältigen Einsatz zur Stromerzeugung bei mobilen Anwendungen, u. a. auch im Privat- bzw. Freizeitbereich. Hierfür geeignete Systeme sollten relativ kompakt, leicht und kostengünstig herstellbar sein.
  • Für die elektrochemischen Umsetzungen in einer Direktmethanolbrennstoffzelle gelten folgende Reaktionsgleichungen: Anodenreaktion: CH3OH + H2O → 6H+ + 6e– + CO2 (1) Kathodenreaktion: 6H+ + 3/2O2 + 6e– → 3H2O (2) Bruttoreaktion: CH3OH + 3/2O2 → 2H2O + CO2 (3)
  • Der an der Kathode auftretende Wasserüberschuss wird noch erhöht durch einen Übertritt von Wasser vom Anoden- in den Kathodenraum durch Diffusion und elektroosmotische Effekte (Drag). Da an der Anode Wasser für die Reaktion benötigt wird, muss zumindest ein Teil des an der Kathode gebildeten Wassers in das System zurückgeführt werden. Alternativ hierzu könnte theoretisch auch dem System zusätzliches Wasser zugeführt werden, was aber gerade bei mobilen Anwendungen äußerst ungünstig ist, da dieses Wasser zusätzlich zum Brennstoff bevorratet werden müsste.
  • Eine möglichst vollständige Rückführung des kathodenseitig gebildeten Wassers ist auch deshalb wünschenswert, weil bei einem unkontrollierten Austrag von Wasserdampf über das Kathodenabgas die Wasserbilanz des Gesamtsystems nicht oder nur mit einem erhöhten Aufwand erfasst werden kann. Deren Kenntnis ist aber nötig, um jederzeit die für einen optimalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erforderliche Methanolkonzentration an der Anode (z. B. im Bereich von ca. 0,5 bis 2 Mol/l) einstellen zu können. Das gemäß der Reaktion (3) überschüssige Produktwasser kann dem System dann in flüssiger Form kontrolliert entnommen werden.
  • Bei bekannten Direktmethanolbrennstoffzellensystem erfolgt die Rückführung von Wasser aus dem Kathodenabgas mittels eines Wasserabscheiders, wobei zuvor eine Kondensation erforderlich ist, da ein Großteil des Wassers in dem erwärmten Kathodenabgas in Form von Wasserdampf vorliegt. Das kondensierte und abgeschiedene Wasser wird dann dem Methanol/Wasser-Gemisch zugeführt.
  • Die gemäß dem Stand der Technik eingesetzten Kondensatoren erfordern eine aktive Kühlung des Kathodenabgases mittels eines Lüfters/Gebläses oder einer umlaufenden Kühlflüssigkeit. Solche aktiven Kühlungen verringern naturgemäß den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems, sie stellen neben dem Verdichter für das Oxidatorgas den größten internen Verbraucher dar.
  • Daneben werden auch Wärmetauscher als Kondensatoren eingesetzt, d. h. das Kathodenabgas wird durch einen Wärmeübergang auf das Oxidatorgas abgekühlt. Die für diesen Zweck verfügbaren Wärmetauscher weisen eine metallische Bauweise auf und haben daher in Bezug auf das gesamte Brennstoffzellensystem ein hohes Gewicht und meist auch relativ große Abmessungen. Solche Wärmtauscher müssen in der Regel in Edelstahl ausgeführt sein, da bei anderen Metallen die Gefahr einer Degradation des an der Kathode verwendeten Katalysators durch Metallionen besteht. Hiermit sind relativ hohe Kosten verbunden. Ein weiterer Nachteil dieser Wärmetauscher besteht darin, dass sie zu einem erheblichen Druckverlust des Oxidatorgases führen, wodurch eine höhere Leistungsaufnahme des Verdichters erforderlich wird.
  • Die US 6,110,613 A offenbart ein System für die Rückgewinnung von Alkohol und Wasser für eine Brennstoffzelle, die mit einem Alkohol/Wasser-Gemisch betrieben wird. Dieses System ermöglicht einen Übertritt von Alkohol und Wasser vom Kathodenabgas in das Oxidatorgas.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Direktmethanolbrennstoffzellensystem vorzuschlagen, bei dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden können.
  • Diese Aufgabe wird bei dem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Befeuchtungseinrichtung ein erster Wasserabscheider zu Abtrennung von flüssigem Wasser aus dem Kathodenabgas vorgeschaltet und ein zweiter Wasserabscheider nachgeschaltet ist, wobei das aus dem Kathodenabgas abgetrennte Wasser einem Methanol enthaltenden Medium zuführbar ist.
  • Während bei bekannten Direktmethanolbrennstoffzellen lediglich ein Wärmeaustausch zwischen dem Kathodenabgas und dem Oxidatorgas stattfindet, ist gemäß der Erfindung ein Stoffübergang zwischen diesen Medien vorgesehen, nämlich eine Befeuchtung des Oxidatorgases durch Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf, welches in dem Kathodenabgas enthalten ist. Dadurch wird in zweierlei Hinsicht die Rückführung von kathodenseitig gebildetem Wasser ermöglicht bzw. erleichtert: zum einen macht der direkte Wasserübertritt in der Befeuchtungseinrichtung insoweit eine Kondensation dieses Wassers entbehrlich, und zum anderen nimmt das befeuchtete Oxidatorgas im Kathodenraum weniger zusätzliches Wasser auf, sodass ein höherer Anteil des gebildeten Wassers den Kathodenraum in flüssiger Form verlässt und aus dem Kathodenabgas abgeschieden werden kann. Insgesamt kann auf diese Weise ein wesentlicher Anteil bis nahezu das gesamte kathodenseitig gebildete Wasser in das System zurückgeführt werden.
  • Die Befeuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein passives Element, welches im Gegensatz zu einer aktiven Kühlung des Kathodenabgases keinen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems hat. Gegenüber konventionellen Wärmetauschern zeichnen sich geeignete Befeuchtungseinrichtungen durch ein geringeres Gewicht, kleinere Abmessungen und niedrigere Kosten aus, da sie z. B. im Wesentlichen aus Kunststoffmaterialien hergestellt sein können (siehe unten) und auch keinen zusätzlichen Steuerungsaufwand verursachen.
  • Das Oxidatorgas umfasst bevorzugt Luft, die aus der Umgebung zugeführt werden kann (Zuluft). Vorzugsweise wird die Luft komprimiert, insbesondere vor dem Passieren der Befeuchtungseinrichtung. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann aber auch mit reinem Sauerstoff oder einem anderen Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch als Oxidatorgas betrieben werden.
  • Günstig ist es, wenn die Befeuchtungseinrichtung ferner einen Wärmeübergang vom Kathodenabgas zum Oxidatorgas ermöglicht. Ein solcher Wärmeübergang, der sich aufgrund der Temperaturdifferenz und einem entsprechenden Aufbau der Befeuchtungseinrichtung in der Regel zwangsläufig ergibt, hat die Wirkung, dass derjenige Anteil des Wassers, der nicht direkt in das Oxidatorgas übertritt, zumindest teilweise kondensiert und anschließend abgetrennt werden kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Befeuchtungseinrichtung einen Feuchtewärmetauscher, z. B. ein Kapillar-Feuchtwärmetauscher. Feuchtewärmetauscher sind als solche bekannt und werden z. B. bei Polymerelektrolyt-Membranbrennstoffzellen (PEMFC), die mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden, zur Befeuchtung der Membran eingesetzt. Dort erfolgt jedoch keine Rückführung von Wasser aus dem Kathodenabgas, da bei der PEMFC anodenseitig kein Wasser verbraucht wird.
  • Der Feuchtewärmetauscher umfasst günstigerweise eine oder mehrere wasserdurchlässige und im Wesentliche gasdichte Membranen, durch die das Kathodenabgas und das Oxidatorgas getrennt sind. Dadurch wird eine Vermischung der Gase bzw. ein Übertritt von Sauerstoff in das Kathodenabgas weitestgehend verhindert, aber der oben beschriebene Übertritt von Wasser durch die hydrophile(n) Membran(en) wird ermöglicht. In der Regel kondensiert dabei Wasserdampf aus dem Kathodenabgas an einer Seite der Membran, tritt durch diese hindurch und verdampft auf der anderen Seite der Membran unter Befeuchtung des Oxidatorgases (Permeation).
  • Aufgrund ihrer Funktionsweise können Feuchtewärmetauscher mit geringem Gewicht, kleinen Abmessungen und aus kostengünstigen Materialien (insbesondere Kunststoff) hergestellt werden.
  • Der Befeuchtungseinrichtung ist ein erster Wasserabscheider zur Abtrennung von flüssigem Wasser aus dem Kathodenabgas vorgeschaltet. Wie oben beschrieben, wird durch die Befeuchtungseinrichtung die Wasseraufnahmefähigkeit des Oxidatorgases verringert, sodass ein relativ großer Anteil des kathodenseitig gebildeten Wassers mit dem Kathodenabgas in flüssiger Form ausgetragen wird. Dieses Wasser kann durch den ersten Wasserabscheider auf einfache Weise abgetrennt werden.
  • Ferner ist der Befeuchtungseinrichtung ein zweiter Wasserabscheider zur Abtrennung von flüssigem Wasser aus dem Kathodenabgas nachgeschaltet. Dieser zweite Wasserabscheider dient zur einfachen Abtrennung von Wasser, welches in der Befeuchtungseinrichtung nicht in das Oxidatorgas übertritt, jedoch aufgrund eines Wärmeübergangs kondensiert.
  • Das aus dem Kathodenabgas abgetrennte Wasser kann einem Methanol enthaltenden Medium zugeführt werden. Dieses Medium wird dann der mindestens einen Brennstoffzelle anodenseitig zugeführt, wobei die Methanolkonzentration durch Zudosierung von Methanol aus einem Tank eingestellt werden kann. Bei einer möglichst vollständigen Rückführung des Wassers aus dem Kathodenabgas liegt gemäß der Bruttoreaktion ein Wasserüberschuss vor. Das überschüssige Wasser kann dem System als Abwasser kontrolliert entnommen werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art, wobei flüssiges Wasser aus dem Kathodenabgas abgeschieden wird, bevor und nachdem dieses durch die Befeuchtungseinrichtung geführt wird, und wobei das abgeschiedene Wasser einem Methanol enthaltendem Medium zugeführt wird.
  • Die besonderen Vorteile dieses Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem erläutert.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem erläutert.
  • Das nachfolgende Ausführungsbeispiel dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
  • Bei dem in der 1 schematisch dargestellten Brennstoffzellensystem 10 sind eine Mehrzahl von Direktmethanolbrennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel 12 zusammengefasst. Den Anoden der einzelnen Zellen ist ein Anodenraum 14 und den Kathoden ein Kathodenraum 16 zugeordnet.
  • Eine Befeuchtungseinrichtung 18 in Form eines Feuchtewarmetauschers 20 ist ausgangsseitig mit dem Eingang des Kathodenraums 16 verbunden und eingangsseitig mit einem Verdichter 22 (z. B. einem Kompressor), sodass Luft (angedeutet durch den Pfeil 24) über den Feuchtewärmetauscher 20 dem Kathodenraum 16 zugeführt werden kann.
  • Der Ausgang des Kathodenraums 16 ist über einen ersten Wasserabscheider 26 mit einem weiteren Eingang des Feuchtewarmetauschers 20 verbunden, wobei ein zugehöriger weiterer Ausgang des Feuchtewärmetauschers 20 mit einem zweiten Wasserabscheider 28 verbunden ist, der einen Ausgang für das Kathodenabgas (angedeutet durch den Pfeil 30) aufweist.
  • Leitungen für abgeschiedenes Wasser führen von den Wasserabscheidern 26 und 28 zu einem ersten Aufnahmebehälter 32 für Wasser, der einen Überlauf 34 für Abwasser aufweist. Der Ausgang des ersten Aufnahmebehälters 32 ist mit einem zweiten Aufnahmebehälter 36 für ein Methanol/Wasser-Gemisch verbunden, der über eine weitere Zuführungsleitung mit einem Methanoltank 38 verbunden ist. Ausgangsseitig ist der zweite Aufnahmebehälter 36 mit dem Eingang des Anodenraums 14 verbunden.
  • Die ausgangsseitige Verbindung des Anodenraums 14 über einen Wasserabscheider mit dem zweiten Aufnahmebehälter 36 ist in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
  • Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 wird dem Kathodenraum 16 mittels des Verdichters 22 Luft 24 als Oxidatorgas zugeführt (Zuluft), wobei die Luft 24 durch den Feuchtewärmetauscher 20 geleitet wird. Das durch die Kathodenreaktion gebildete Wasser verlässt den Kathodenraum 16 zum Teil flüssig und zum Teil als Wasserdampf, wobei das flüssige Wasser durch den ersten Wasserabscheider 26 abgetrennt und dem ersten Aufnahmebehälter 32 zugeführt wird.
  • Das Wasserdampf enthaltende Kathodenabgas 30 wird ebenfalls durch den Feuchtewärmetauscher 20 geleitet, wobei sowohl Wärme als auch Wasserdampf in die Zuluft 24 übergehen. Durch die Befeuchtung der Zuluft 24 wird der Anteil des Wassers, der den Kathodenraum 16 in flüssiger Form verlässt, erhöht.
  • Durch die Abkühlung des Kathodenabgases 30 in dem Feuchtewärmtauscher 20 kondensiert zumindest ein Teil des Wassers, welches nicht in die Zuluft 24 übergetreten ist, dieses wird durch den zweiten Wasserabscheider 28 abgetrennt und ebenfalls dem ersten Aufnahmebehälter 32 zugeführt.
  • Wasser aus dem ersten Aufnahmebehälter 32 und Methanol aus dem Methanoltank 38 werden in dem zweiten Aufnahmebehälter 36 gemischt, wobei jeweils eine optimale Methanolkonzentration eingestellt werden kann, und dem Anodenraum 14 als Brennstoff zugeführt. Durch die weitgehende Rückführung des im Kathodenraum 16 gebildeten Wassers kann die Wasserbilanz des gesamten Brennstoffzellensystems 10 relativ genau ermittelt und gesteuert werden, und überschüssiges Wasser kann durch den Überlauf 34 aus dem ersten Aufnahmebehälter 32 entfernt werden (Abwasser). Statt des Überlaufs 34 können auch andere Verfahren zur Steuerung der Abwassermenge zum Einsatz kommen.
  • Die Befeuchtungseinrichtung 18 in Form des Wärmetauschers 20 ist ein passives Element und benötigt keine Versorgung mit elektrischer Energie. Sie ist im Vergleich zu konventionellen Wärmetauschern wesentlich leichter, da sie im Wesentlichen aus Kunststoffmaterialien hergestellt sein kann, und verursacht geringere Kosten. Dadurch weist das Brennstoffzellensystem 10 einen höheren Wirkungsgrad und ein geringeres Gewicht auf als ein vergleichbares Brennstoffzellensystem, bei dem die Rückführung von Wasser aus dem Kathodenabgas durch eine aktive Kühlung und/oder einen konventionellen Wärmetauscher erfolgt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzellensystem
    12
    Brennstoffzellenstapel
    14
    Anodenraum
    16
    Kathodenraum
    18
    Befeuchtungseinrichtung
    20
    Feuchtewärmetauscher
    22
    Verdichter
    24
    Luft
    26
    erster Wasserabscheider
    28
    zweiter Wasserabscheider
    30
    Kathodenabgas
    32
    erster Aufnahmebehälter
    34
    Überlauf
    36
    zweiter Aufnahmebehälter
    38
    Methanoltank

Claims (7)

  1. Brennstoffzellensystem (10) mit mindestens einer Direktmethanolbrennstoffzelle (12) zur Umsetzung von Methanol mit Sauerstoff, wobei der mindestens einen Direktmethanolbrennstoffzelle (12) kathodenseitig (16) ein Sauerstoff enthaltendes Oxidatorgas (24) zuführbar ist unter Bildung eines an Sauerstoff abgereicherten Kathodenabgases (30), wobei das Brennstoffzellensystem (10) eine Befeuchtungseinrichtung (18) umfasst, die einen direkten Übertritt von Wasser aus dem Kathodenabgas (30) in das Oxidatorgas (24) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchtungseinrichtung (18) ein erster Wasserabscheider (26) zur Abtrennung von flüssigem Wasser aus dem Kathodenabgas (30) vorgeschaltet und ein zweiter Wasserabscheider (28) nachgeschaltet ist, wobei das aus dem Kathodenabgas (30) abgetrennte Wasser einem Methanol enthaltenden Medium (32) zuführbar ist.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Oxidatorgas (24) Luft umfasst.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Luft (24) komprimiert ist.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Befeuchtungseinrichtung (18) ferner einen Wärmeübergang vom Kathodenabgas (30) zum Oxidatorgas (24) ermöglicht.
  5. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 4, wobei die Befeuchtungseinrichtung (18) einen Feuchtewärmetauscher (20) umfasst.
  6. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 5, wobei der Feuchtewärmetauscher (20) eine oder mehrere wasserdurchlässige und im Wesentlichen gasdichte Membranen umfasst, durch die das Kathodenabgas (30) und das Oxidatorgas (24) getrennt sind.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem durch mindestens eine Direktmethanolbrennstoffzelle Methanol mit Sauerstoff umgesetzt wird, wobei der mindestens einen Direktmethanolbrennstoffzelle kathodenseitig ein Sauerstoff enthaltendes Oxidatorgas zugeführt wird und ein an Sauerstoff abgereichertes Kathodenabgas abgeführt wird, wobei das Oxidatorgas und das Kathodenabgas durch eine Befeuchtungseinrichtung geführt werden, so dass Wasser direkt aus dem Kathodenabgas in das Oxidatorgas übertritt, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges Wasser aus dem Kathodenabgas abgeschieden wird, bevor und nachdem dieses durch die Befeuchtungseinrichtung geführt wird, wobei das abgeschiedene Wasser einem Methanol enthaltenden Medium zugeführt wird.
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