DE102021117966A1

DE102021117966A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102021117966A1
Application number: DE102021117966.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Aloys Reil; Andreas Hirschter; Seyed Ali Mousavi
Original assignee: Ae Driven Solutions GmbH
Current assignee: Ae Driven Solutions GmbH
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2023-01-12

Abstract

Brennstoffzelle (2), mit einer Kathode (4) und einer Anode (6), mit einem Elektrolyt (8), der zwischen der Kathode (4) und der Anode (6) angeordnet ist, mit einer Brennstoffzufuhr (10) zur Zufuhr von Brennstoff (12) zur Anode (6), mit einer Kathodenluftzufuhr (14) zur Zufuhr von Sauerstoff aufweisender Kathodenluft (16) zur Kathode (4), wobei die Kathodenluftzufuhr (14) eine Leitung (18) zur Zuführung von Umgebungsluft (20) in die Kathodenluftzufuhr (14) aufweist, wobei die Kathodenluftzufuhr (14) eine Einrichtung (22) zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Umgebungsluft (20) aufweist, um aus der Umgebungsluft (20) Kathodenluft (16) herzustellen,wobei die Einrichtung (22) einen in der Leitung (18) angeordneten Sauerstoff-Separator (24) und/oder eine in die Leitung (18) mündende Sauerstoffeinspeisung (26) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, mit einer Kathode und einer Anode, mit einem Elektrolyt, der zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, mit einer Brennstoffzufuhr zur Zufuhr von Brennstoff zur Anode, mit einer Kathodenluftzufuhr zur Zufuhr von Sauerstoff aufweisender Kathodenluft zur Kathode, wobei die Kathodenluftzufuhr eine Leitung zur Zuführung von Umgebungsluft in die Kathodenluftzufuhr aufweist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Leistung.
Brennstoffzellen sind galvanische Zellen und dienen dazu, chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umzuwandeln. Obwohl sich der Begriff Brennstoffzelle häufig auf eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle bezieht, können je nach Art der Brennstoffzelle neben Wasserstoff auch viele andere Brennstoffe verwendet werden.
Derzeit sind verschiedene Typen von Brennstoffzellen bekannt. Sie werden üblicherweise nach ihren Betriebstemperaturen und dem verwendeten Elektrolyten unterschieden. Die Unterscheidung nach den Betriebstemperaturen führt weiter zur Definition von Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen gehören die alkalische Brennstoffzelle (AFC), die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC), die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) und die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC). Zu den Hochtemperaturbrennstoffzellen gehören die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) und die Oxidkeramik-Brennstoffzelle (SOFC).
Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, eine verbesserte, insbesondere effizientere Brennstoffzelle und ein verbessertes, insbesondere effizienteres Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Leistung anzugeben.
Die voranstehend beschriebene, technische Problemstellung wird jeweils durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, mit einer Kathode und einer Anode, mit einem Elektrolyt, der zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, mit einer Brennstoffzufuhr zur Zufuhr von Brennstoff zur Anode, mit einer Kathodenluftzufuhr zur Zufuhr von Sauerstoff aufweisender Kathodenluft zur Kathode, wobei die Kathodenluftzufuhr eine Leitung zur Zuführung von Umgebungsluft in die Kathodenluftzufuhr aufweist. Die Brennstoffzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Kathodenluftzufuhr eine Einrichtung zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Umgebungsluft aufweist, um aus der Umgebungsluft Kathodenluft herzustellen, wobei die Einrichtung einen in der Leitung angeordneten Sauerstoff-Separator und/oder eine in die Leitung mündende Sauerstoffeinspeisung aufweist.
Die Begriffe Sauerstoffanteil und Sauerstoffgehalt werden im vorliegenden Text synonym verwendet und in Vol-% angegeben.
Wenn vorliegend von Umgebungsluft gesprochen wird, so weist diese insbesondere einen Sauerstoffanteil von bis zu 20,95 Vol-% auf.
Wenn vorliegend von Kathodenluft gesprochen wird, so weist diese insbesondere einen Sauerstoffanteil von mehr als 21,00 Vol-% auf.
Die Kathodenluft hat einen höheren Sauerstoffanteil als die Umgebungsluft.
Der Sauerstoff-Separator dient dazu, den Sauerstoffanteil der Umgebungsluft zu erhöhen, um auf diese Weise Kathodenluft herzustellen, die einen höheren Sauerstoffanteil hat als die Umgebungsluft. Insbesondere ist der Sauerstoff-Separator dazu eingerichtet, beim Herstellen der Kathodenluft aus Umgebungsluft die Umgebungsluft zumindest teilweise von Bestandteilen zu befreien, die nicht Sauerstoff sind.
Durch den höheren Sauerstoffanteil der Kathodenluft steigt der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle im Vergleich zur Verwendung von unbehandelter Umgebungsluft an. Zudem kann durch den Sauerstoff-Separator der Anteil von Schadgasen in der Kathodenluft reduziert werden, die zu einer Schädigung der Brennstoffzelle führen können, sodass die Degradation der Brennstoffzelle verlangsamt werden kann.
Alternativ oder ergänzend kann der Sauerstoffanteil der Kathodenluft durch ein Einspeisen von Sauerstoff in die Leitung der Kathodenluftzufuhr erhöht werden, um die Leistung der Brennstoffzelle zu steigern. Soweit ein Sauerstoff-Separator vorgesehen ist, kann die Einspeisung des Sauerstoffs in die Leitung der Kathodenluftzufuhr stromaufwärts und/oder stromabwärts des Sauerstoff-Separators erfolgen.
Der Sauerstoff-Separator kann eine Membran aufweisen oder im Wesentlichen aus einer Membran bestehen, wie Sie in der Prozessindustrie eingesetzt wird, um z.B. CO2 aus Biogas abzuscheiden oder Wasserstoff aus Gasgemischen abzuscheiden. Dabei werden z.B. Hohl-Membranen genutzt. Es können zwei oder mehr Membranen vorgesehen sein.
Der Sauerstoff-Separator lässt daher insbesondere Sauerstoff in Richtung der Kathode passieren und filtert andere Bestandteile heraus, so dass nach dem Passieren des Sauerstoff-Separators ein höherer Sauerstoffanteil vorliegt.
Der Sauerstoff-Separator kann eine Stickstoff-Separationsmembran aufweisen, wie z.B. von der Firma Evonik unter der Marke Sepuran vertrieben. Der Sauerstoff-Separator kann eine Stickstoff-Separationsmembran aufweisen, die aus Polymeren besteht oder Polymere aufweist.
Die Sauerstoffeinspeisung kann einen Tank mit im Wesentlichen reinem Sauerstoff aufweisen und zur Einspeisung des im Wesentlichen reinen Sauerstoffs in die Leitung eingerichtet sein. Insbesondere kann die Sauerstoffeinspeisung zur temporären Leistungssteigerung der Brennstoffzelle und/oder zur Notversorgung der Brennstoffzelle eingerichtet sein.
Die Kathodenluftzufuhr kann einen Verdichter aufweisen, um einen Druck in der Leitung zu erhöhen. Der Verdichter kann ein elektrischer Verdichter sein. Der Verdichter kann ein einstufiger oder zweistufiger Verdichter sein.
Die Kathode und die Anode können Elektrodenplatten aufweisen, die aus Metall- oder Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen.
Die Kathode und die Anode können einen Katalysator aufweisen, insbesondere mit einem Katalysator beschichtet sein.
Der Elektrolyt kann gelöste Alkalien oder Säuren, geschmolzenes Alkalicarbonat, Keramik oder eine Membran aufweisen.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann beispielsweise in stationären, mobilen und portablen Anwendungen eingesetzt werden.
Zu den mobilen Anwendungen gehören sämtliche motorisierte Verkehrsmittel bzw. Fahrzeuge, die mit Brennstoffzellen elektrisch angetrieben werden können. Dazu gehören beispielsweise Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Motorräder, Schiffe, Flugzeuge, Züge, Bahnen, Busse, E-Bikes, E-Scooter und dergleichen, d.h. alle gängigen Verkehrs- bzw. Transportmittel zum Personen- und/oder Güterverkehr.
In stationären Anwendungen kann die Brennstoffzelle als kleines Heizkraftwerk betrieben werden und wandelt einen Energieträger in Strom und Wärme um. Die Brennstoffzelle kann daher für die stationäre Energieversorgung eingesetzt werden. Sie kann z.B. zur Stromerzeugung für die elektrische Versorgung, zur thermischen Wärmeversorgung oder auch in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für die elektrische und thermische Versorgung eingesetzt werden.
Zu den portablen Anwendungen der Brennstoffzelle zählt z.B die Energieversorgung tragbarer Geräte, wie Mobiltelefone, tragbare Computer und Tablets, MP3-Player, Foto- und Videokameras und andere elektrische bzw. elektronische Geräte, die mit Brennstoffzellen betrieben werden könnten.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle; Zuführen von Brennstoff zur Anode; Zuführen von Kathodenluft zur Kathode; Oxidation des Brennstoffs an der Anode und Reduktion des Sauerstoffs der Kathodenluft an der Kathode. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Kathodenluft mittels der Einrichtung zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts aus Umgebungsluft hergestellt wird, wobei Sauerstoff mittels des Sauerstoff-Separators angereichert wird, und/oder Sauerstoff mittels der Sauerstoffeinspeisung in die Leitung eingespeist wird.
Die Kathodenluft weist einen höheren Sauerstoffanteil auf als die Umgebungsluft.
Die Kathodenluft kann einen höheren Luftdruck aufweisen als die Umgebungsluft und mittels eines Verdichters verdichtet worden sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle;
2 ein Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 2. Die Brennstoffzelle 2 hat eine Kathode 4 und eine Anode 6. Zwischen der Kathode 4 und der der Anode 6 ist ein Elektrolyt 8 angeordnet. Der Elektrolyt 8 ist vorliegend eine semipermeable Membran 8.
Die Brennstoffzelle 2 hat eine Brennstoffzufuhr 10 zur Zufuhr von Brennstoff 12 zur Anode 6. Der Brennstoff 12 ist vorliegend Wasserstoff 12.
Die Brennstoffzelle 2 hat eine Kathodenluftzufuhr 14 zur Zufuhr von Sauerstoff aufweisender Kathodenluft 16 zur Kathode 4. Die Kathodenluftzufuhr 14 weist eine Leitung 18 zur Zuführung von Umgebungsluft 20 in die Kathodenluftzufuhr 14 auf.
Die Kathodenluftzufuhr 14 hat eine Einrichtung 22 zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Umgebungsluft 20, um aus der Umgebungsluft 20 Kathodenluft 16 herzustellen.
Die Einrichtung 22 der Kathodenluftzufuhr 14 weist einen in der Leitung 18 angeordneten Sauerstoff-Separator 24 auf.
Die Einrichtung 22 der Kathodenluftzufuhr 14 weist eine in die Leitung 18 mündende Sauerstoffeinspeisung 26 auf.
Der Sauerstoff-Separator 24 weist eine Stickstoff-Separationsmembran 28 auf.
Die Sauerstoffeinspeisung 26 weist einen Tank 30 mit im Wesentlichen reinen Sauerstoff 32 auf und ist zur Einspeisung des im Wesentlichen reinen Sauerstoffs 32 in die Leitung 18 eingerichtet.
Die Kathodenluftzufuhr 14 weist einen Verdichter 34 auf, um einen Druck in der Leitung 18 zu erhöhen.
Weiter ist symbolisch ein Verbraucher 36 dargestellt.
Gemäß alternativer Ausführungsbeispiele kann die Einspeisung von Sauerstoff 32 alternative oder ergänzend zu der gezeigten Einspeisung zwischen dem Verdichter 34 und der Kathode 4 erfolgen. Gemäß alternativer Ausführungsbeispiele kann die Einspeisung von Sauerstoff 32 alternative oder ergänzend zu der gezeigten Einspeisung zwischen dem Verdichter 34 und dem Sauerstoff-Separator 24 erfolgen.
Gemäß alternativer Ausführungsbeispiele kann auf den Verdichter 34 verzichtet werden.
Vorliegend hat die Brennstoffzelle 2 sowohl eine Sauerstoffeinspeisung 26 als auch einen Sauerstoff-Separator 24. Gemäß alternativer Ausführungsbeispiele kann Brennstoffzelle 2 entweder eine Sauerstoffeinspeisung 26 oder einen Sauerstoff-Separator 24 aufweisen.
2 zeigt einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen von elektrischer Leistung.
In einem ersten Verfahrensschritt (A) erfolgt ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 2.
In einem zweiten Verfahrensschritt (B) erfolgt ein kontinuierliches Zuführen von Brennstoff 12 zur Anode 6 und ein kontinuierliches Zuführen von Kathodenluft 16 zur Kathode 4.
Weiter erfolgt im Verfahrensschritt (B) eine Oxidation des Brennstoffs 12 an der Anode 6 und Reduktion des Sauerstoffs der Kathodenluft 16 an der Kathode 4.
Die Kathodenluft 16 wird mittels der Einrichtung 22 zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts aus der Umgebungsluft 20 hergestellt, wobei Sauerstoff mittels des Sauerstoff-Separators 24 angereichert wird. Beim Herstellen der Kathodenluft 16 aus Umgebungsluft 20 wird die Umgebungsluft zumindest teilweise von Bestandteilen befreit, die nicht Sauerstoff sind. Der Sauerstoff-Separator 24 lässt daher insbesondere Sauerstoff in Richtung der Kathode 4 passieren und filtert andere Bestandteile zumindest teilweise heraus, so dass nach dem Passieren des Sauerstoff-Separators ein höherer Sauerstoffanteil vorliegt.
Zudem kann, je nach Leistungsbedarf, im Wesentlichen reiner Sauerstoff 32 mittels der Sauerstoffeinspeisung 26 in die Leitung 18 eingespeist werden.
Der Verdichter 34 erhöht den Luftdruck der Kathodenluft 16 vor der Kathode 4.
Der Brennstoff 12 wird an der Anode 6 unter Freisetzung von Elektronen katalytisch zu Protonen oxidiert. Diese Protonen gelangen durch die semipermeable Membran 8 bzw. die lonenaustauschermembran 8 zur Kathode 4 mit dem Oxidationsmittel, d.h. dem Sauerstoff der Kathodenluft 16.
Die Elektronen fließen über eine elektrische Leitung 38 von der Anode 6 zur Kathode 4. An der Kathode 4 wird der Sauerstoff durch eine Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die direkt mit den Wasserstoffionen zu Wasser reagieren.
Die Anode 6 bzw. Wasserstoff-Elektrode 6 bildet den negativen Pol, die Kathode 5 bzw. Sauerstoff-Elektrode 4 den positiven Pol.
Die Reduktion (Elektronenaufnahme) findet daher der Kathode 4 statt. An der Anode 6 findet die Oxidation (Abgabe von Elektronen) statt. Das Sauerstoffmolekül O2 wird gespalten und der Oxidationszustand ändert sich von 0 auf -2, was bedeutet, dass jedes Sauerstoffatom zwei Elektronen aufgenommen hat: O + 2e^- → O2^-.
Die Elektronenaufnahme und die Bildung von negativ geladenen Teilchen (Anionen) ist typisch für Nichtmetalle. Mit den Protonen H⁺ (auch als Hydroniumionen H3O⁺ geschrieben), die in geringen Mengen in wässriger Lösung vorliegen, bildet das Oxidion so schnell Wasser, dass O2^- in freier Lösung nicht vorhanden ist.
Bezugszeichenliste

2: Brennstoffzelle
4: Kathode
6: Anode
8: Elektrolyt
10: Brennstoffzufuhr
12: Brennstoff
14: Kathodenluftzufuhr
16: Kathodenluft
18: Leitung
20: Umgebungsluft
22: Einrichtung zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts
24: Sauerstoff-Separator
26: Sauerstoffeinspeisung
28: Stickstoff-Separationsmembran
30: Tank
32: Sauerstoff
34: Verdichter
36: Verbraucher
38: elektrische Leitung

Claims

Brennstoffzelle, - mit einer Kathode (4) und einer Anode (6), - mit einem Elektrolyt (8), der zwischen der Kathode (4) und der Anode (6) angeordnet ist, - mit einer Brennstoffzufuhr (10) zur Zufuhr von Brennstoff (12) zur Anode (6), - mit einer Kathodenluftzufuhr (14) zur Zufuhr von Sauerstoff aufweisender Kathodenluft (16) zur Kathode (4), - wobei die Kathodenluftzufuhr (14) eine Leitung (18) zur Zuführung von Umgebungsluft (20) in die Kathodenluftzufuhr (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kathodenluftzufuhr (14) eine Einrichtung (22) zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Umgebungsluft (20) aufweist, um aus der Umgebungsluft (20) Kathodenluft (16) herzustellen, - wobei die Einrichtung (22) einen in der Leitung (18) angeordneten Sauerstoff-Separator (24) und/oder eine in die Leitung (18) mündende Sauerstoffeinspeisung (26) aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Separator (24) eine Stickstoff-Separationsmembran (28) aufweist.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffeinspeisung (26) einen Tank (30) mit im Wesentlichen reinen Sauerstoff (32) aufweist und zur Einspeisung des im Wesentlichen reinen Sauerstoffs (32) in die Leitung (18) eingerichtet ist.
Brennstoffzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenluftzufuhr (14) einen Verdichter (34) aufweist, um einen Druck in der Leitung (18) zu erhöhen.
Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Leistung, mit den Verfahrensschritten: - Bereitstellen einer Brennstoffzelle (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche; - Zuführen von Brennstoff (12) zur Anode (6); - Zuführen von Kathodenluft (16) zur Kathode (4); - Oxidation des Brennstoffs (12) an der Anode (6) und Reduktion des Sauerstoffs der Kathodenluft (16) an der Kathode (4); dadurch gekennzeichnet, dass - die Kathodenluft (16) mittels der Einrichtung (22) zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts aus Umgebungsluft (20) hergestellt wird, wobei Sauerstoff mittels des Sauerstoff-Separators (24) angereichert wird, und/oder Sauerstoff mittels der Sauerstoffeinspeisung (26) in die Leitung (18) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen der Kathodenluft (16) aus Umgebungsluft (20) die Umgebungsluft (20) zumindest teilweise von Bestandteilen befreit wird, die nicht Sauerstoff sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenluft (16) einen höheren Sauerstoffanteil aufweist als die Umgebungsluft (20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenluft (16) einen höheren Luftdruck aufweist als die Umgebungsluft (20) und mittels eines Verdichters (34) verdichtet worden ist.