DE102023100157A1

DE102023100157A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung und Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102023100157A1
Application number: DE102023100157.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Speck; Florian DOERRFUSS
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-02-15
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2023-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem organischen Energieträger (2), umfassend einen ersten Speicher (3) zur Bevorratung des organischen Energieträgers (2) und eine Brennstoffzelle (4), welche einen mit dem ersten Speicher (3) verbunden ersten Eingang (5), sowie einen ersten Ausgang (6a) aufweist. Die Brennstoffzelle (4) weist ferner einen zweiten Eingang (7) auf, durch welchen ein elektrochemisch reduzierbares Fluid (8), insbesondere Luft, der Brennstoffzelle (4) zuführbar ist, wobei der organische Energieträger (2) durch das Fluid (8) in der Brennstoffzelle (4) unter Erzeugung elektrischer Energie oxidiert wird, so dass ein Oxidationsprodukt (9) des organischen Energieträgers (2) und nicht umgesetzter organischer Energieträger (2') durch den ersten Ausgang (6a) leitbar sind und nachfolgend teilweise zurück zum ersten Eingang (5) führbar sind. Der organische Energieträger (2) wird entweder durch ein Gemisch aus Wasser und Isopropanol oder aus Wasser und Butan-2-ol gebildet, wobei das Isopropanol oder das Butan-2ol eine Siedetemperatur besitzt, die oberhalb einer Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) liegt, und das Oxidationsprodukt (9) in eine Siedetemperatur aufweist, die unterhalb der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) liegt, so dass das Oxidationsprodukt (9) am ersten Ausgang (6a) der Brennstoffzelle (4) gasförmig vorliegt und von flüssig vorliegendem Wasser und Isopropanol oder Butan-2-ol abgetrennt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem organischen Energieträger, umfassend einen ersten Speicher zur Bevorratung des organischen Energieträgers und eine Brennstoffzelle, welche einen mit dem ersten Speicher verbunden ersten Eingang, sowie einen ersten Ausgang aufweist. Die Brennstoffzelle weist ferner einen zweiten Eingang auf, durch welchen ein elektrochemisch reduzierbares Fluid, insbesondere Luft, der Brennstoffzelle zuführbar ist, wobei der Energieträger durch das Fluid in der Brennstoffzelle unter Erzeugung elektrischer Energie oxidiert wird, so dass ein Oxidationsprodukt des organischen Energieträgers und nicht umgesetzter organischer Energieträger durch den ersten Ausgang geleitet werden und nachfolgend teil weise zurück zum ersten Eingang führbar sind. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Brennstoffzellenanordnung.
Elektrische Maschinen finden in weiten Bereichen der Technik Anwendung, zunehmend auch im Kraftfahrzeugbereich als Elektromotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Die Bereitstellung elektrischer Energie für Elektromotoren kann auf verschiedene Weisen erfolgen, im Bereich der Mobilität etwa über mitgeführte Akkumulatoren oder Brennstoffzellen, in letzterem Fall in Verbindung mit einem adäquaten Kraftstoffvorrat. Brennstoffzellen und ihre elektrochemische Funktionsweise sind in verschiedenen Varianten hinlänglich bekannt. Das Grundprinzip einer Brennstoffzelle besteht darin, einer Elektrode der Brennstoffzelle Wasserstoff, der anderen Elektrode Sauerstoff zuzuführen. Die Wasserstoffmoleküle werden an der Elektrode gespalten und geben Elektronen an die Elektrode ab, welche über einen Leiter zur anderen Elektrode fließen. Die entstandenen Protonen wandern durch eine Membrane zur anderen Elektrode, um dort zusammen mit dem Sauerstoff und den Elektronen Wasser zu bilden. Letztlich resultiert ein Stromfluss im Leiter zwischen den Elektroden. Sauerstoff und Wasserstoff können in Reinform bevorratet und der Brennstoffzelle zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu verwenden. Wasserstoff kann aus Verbindungen wie Methan oder Ammoniak durch Reformierung gewonnen werden. Dabei wird die jeweilige Verbindung aufgespalten. Soweit nicht mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff gearbeitet wird, entstehen Nebenprodukte, die aus der Brennstoffzelle entfernt und entsorgt werden müssen.
Da Wasserstoff bei Normalbedingungen (20°C, 1 atm) eine vergleichsweise geringe Energiedichte aufweist, rücken alternative Energieträger und Treibstoffe für Brennstoffzellen zunehmend in den Fokus der Entwicklung.
In diesem Zusammenhang sind bereits kommerziell erhältliche sogenannte. „Direkt Alkohol-Brennstoffzellen“ bekannt geworden, welche beispielsweise hauptsächlich Methanol, einen primäreren Alkohol, als Brennstoff verwenden. Die Oxidation des organischen Brennstoffs Methanol an der Anode derartiger Brennstoffzellen führt hier jedoch zu der Entwicklung von CO₂, was u.a. klimapolitisch unerwünscht ist.
Daher sind auch zunehmend sekundäre Alkohole als Brennstoff für Brennstoffzellen in den Entwicklerfokus gerückt. Der große Vorteil der Nutzung von sekundären Alkoholen in „Direkt Alkohol-Brennstoffzellen“ ist im Gegensatz zu primären Alkoholen, dass die stromliefernde Oxidation des Alkohols zu einem Keton führt.
Damit kann im Gegensatz zur „Direkt Methanol-Brennstoffzelle“ die lokale Emission von CO₂ vermieden werden. Im Gegensatz zur klassischen Wasserstoff-Brennstoffzelle, welche ebenfalls lokal keine CO₂ Emissionen erzeugt, ist der flüssige, sekundäre Alkohol als Brennstoff leicht und vergleichsweise sicher zu lagern und zu betanken.
So sind bereits Brennstoffzellensysteme entwickelt worden, welche mit dem sekundären Alkohol Isopropanol als Treibstoff betrieben werden können, wie es beispielsweise in der DE 10 2017 209 891 A1 beschrieben wird. Dabei wird flüssiges Isopropanol in einem Verdampfer in einen gasförmigen Zustand überführt. Um eine gewünschte Flussrate zu erreichen, wird der Isopropanol-Dampf mit einem inerten Trägergas (Stickstoff), welches zuvor befeuchtet wurde, gemischt und unter Temperaturkontrolle (85 °C) in die Brennstoffzelle eingeleitet. Das anodenseitige Eduktgemisch besteht also aus x Sickstoff, y Wasser und z Isopropanol. Die Zusammensetzung der Parameter x, y und z können zur Beeinflussung der Leistung der Brennstoffzelle eingestellt werden.
Bei der Oxidation von Isopropanol an der Brennstoffzellen-Anode, entsteht zusätzlich Aceton, welches sich als Produkt mit den Edukten mischt. Dadurch entsteht entlang des Flussfeldes ein Konzentrationsgradient von z bis (z-a), wobei a der Anteil von umgesetztem Isopropanol zu Aceton ist. Die Reduktion von Sauerstoff an der Kathoden-Seite entspricht bei derartigen „Direkt Alkohol-Brennstoffzellen“ in der Regel im Wesentlichen den Prozessen in einer klassischen Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Polymerelektrolytmembrane (PEMFC).
Bei aktuellen „Direkt Isopropanol- Brennstoffzellen“ (DIFC) Prototypen wird derzeit am Ausgang der Brennstoffzelle ein maximaler Isopropanol Umsatz von 40% erreicht. Das bedeutet, das anodenseitige Produktgemisch besteht nun aus x Stickstoff, y Wasser, z-a Isopropanol und a Aceton.
Die US 2006 / 0 159 965 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem umfassend eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffbehälter zur Aufnahme von Isopropanol. Das Isopropanol wird in der Brennstoffzelle teilweise zu Kohlendioxid umgesetzt.
Die EP 3 157 086 A1 offenbart eine bei Umgebungstemperatur betriebene Direkt-Isopropanol-Brennstoffzelle, welche als Brennstoff ein Isopropanol-WasserGemisch verwendet. Das Gemisch wird in einem Brennstoffspeicher bereitgestellt. Nicht verbrauchter Brennstoff enthaltend Wasser, Isopropanol und Aceton wird vom Ausgang der Brennstoffzelle in den Brennstoffspeicher rückgeführt und wiederverwendet. Der Brennstoffspeicher ist über eine Öffnung zum Druckausgleich mit der Umgebung verbunden.
Da für mobile Anwendungen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder elektrisch unterstützten muskelkraftbetriebenen Fahrzeugen, nahezu 100% des Brennstoffes umgesetzt werden sollten, wird im Stand der Technik regelmäßig eine Trenneinheit vorgesehen, die sich den Kondensationspunkt von Isopropanol zu Nutze macht, um es von Aceton zu trennen und dann abgekühlt und flüssig zum Verdampfer zurückzuleiten. Hier wird wiederum Energie aufgewendet, um das Isopropanol erneut zu erhitzen und zu verdampfen, was also energetisch gesehen ineffizient ist, selbst wenn Abwärme der Brennstoffzelle zum Heizen bzw. Verdampfen und beispielsweise Fahrtwind zum Abkühlen bzw. Kondensieren genutzt werden könnten. Zuletzt übersteigt die Leistungsaufnahme (elektrische Energie, die zum Verdampfen benötigt wird) von aktuell genutzten, kommerziellen Verdampfer-Einheiten üblicherweise die theoretisch mögliche Leistung der verdampften Menge Isopropanol, die nach dem Faraday-Gesetz berechnet werden kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem organischen Energieträger bereitzustellen, welches energetisch optimiert ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung unter Erzeugung elektrischer Energie aus einem organischen Energieträger, wobei als organischer Energieträger ein Gemisch aus Wasser und Isopropanol eingesetzt wird, wobei ein erster Speicher zur Bevorratung des organischen Energieträgers und eine Brennstoffzelle vorgesehen werden, welche einen mit dem ersten Speicher verbundenen ersten Eingang, sowie einen ersten Ausgang aufweist, und die Brennstoffzelle ferner einen zweiten Eingang besitzt, durch welchen ein elektrochemisch reduzierbares Fluid, insbesondere Luft, der Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei der organische Energieträger durch das Fluid in der Brennstoffzelle unter Erzeugung elektrischer Energie oxidiert wird, so dass ein Oxidationsprodukt des organischen Energieträgers in Form von Aceton und nicht umgesetzter organischer Energieträger durch den ersten Ausgang geleitet werden, wobei das Isopropanol eine Siedetemperatur besitzt, die oberhalb einer Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt, und das Aceton eine Siedetemperatur aufweist, die unterhalb der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt, so dass das Aceton am ersten Ausgang der Brennstoffzelle gasförmig vorliegt und nicht umgesetzter organischer Energieträger als Flüssigkeit vorliegt, wobei in einer Rückführleitung vom ersten Ausgang zum ersten Speicher oder ersten Eingang ein Abscheider zur Abtrennung des Aceton vom nicht umgesetzten organischen Energieträger vorgesehen ist, wobei das Aceton in einen zweiten Speicher überführt wird und der nicht umgesetzte organische Energieträger zumindest teilweise über die Rückführleitung zurück zum ersten Speicher oder ersten Eingang geführt wird.
Diese Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung unter Erzeugung elektrischer Energie aus einem organischen Energieträger, wobei als organischer Energieträger ein Gemisch aus Wasser und Butan-2-ol (C₄H₁₀O) eingesetzt wird, wobei ein erster Speicher zur Bevorratung des organischen Energieträgers und eine Brennstoffzelle vorgesehen werden, welche einen mit dem ersten Speicher verbundenen ersten Eingang, sowie einen ersten Ausgang aufweist, und die Brennstoffzelle ferner einen zweiten Eingang besitzt, durch welchen ein elektrochemisch reduzierbares Fluid, insbesondere Luft, der Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei der organische Energieträger durch das Fluid in der Brennstoffzelle unter Erzeugung elektrischer Energie oxidiert wird, so dass ein Oxidationsprodukt des organischen Energieträgers in Form von Butan-2-on (C₄H₈O) und nicht umgesetzter organischer Energieträger durch den ersten Ausgang geleitet werden, wobei das Butan-2-ol eine Siedetemperatur besitzt, die oberhalb einer Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt, und das Butan-2-on eine Siedetemperatur aufweist, die unterhalb der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt, so dass das Butan-2-on am ersten Ausgang der Brennstoffzelle gasförmig vorliegt und nicht umgesetzter organischer Energieträger als Flüssigkeit vorliegt, wobei in einer Rückführleitung vom ersten Ausgang zum ersten Speicher oder ersten Eingang ein Abscheider zur Abtrennung des Butan-2-on vom nicht umgesetzten organischen Energieträger vorgesehen ist, wobei das Butan-2-on in einen zweiten Speicher überführt wird und der nicht umgesetzte organische Energieträger zumindest teilweise über die Rückführleitung zurück zum ersten Speicher oder ersten Eingang geführt wird.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine energetisch weitaus günstigere Trennung des Oxidationsprodukts aus dem Produktgemisch der Brennstoffzelle erfolgen kann, beispielsweise durch einen Gas-Flüssigkeitsabscheider.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst für eine Brennstoffzellenanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend den ersten Speicher, die Brennstoffzelle, die Rückführleitung vom ersten Ausgang der Brennstoffzelle zurück zum ersten Speicher oder zum ersten Eingang der Brennstoffzelle, den Abscheider und den zweiten Speicher.
Bevorzugt umfasst die Brennstoffzellenanordnung weiterhin zwischen dem Abscheider und dem zweiten Speicher angeordnet einen Wärmetauscher.
Die Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem organischen Energieträger umfasst demnach einen Speicher zur Bevorratung des organischen Energieträgers und eine Brennstoffzelle, welche einen mit dem Speicher verbunden ersten Eingang, sowie einen ersten Ausgang aufweist. Die Brennstoffzelle weist ferner einen zweiten Eingang auf, durch welchen ein elektrochemisch reduzierbares Fluid, insbesondere Luft, der Brennstoffzelle zuführbar ist. Der organische Energieträger wird durch das Fluid in der Brennstoffzelle unter Erzeugung elektrischer Energie oxidiert, so dass ein Oxidationsprodukt des organischen Energieträgers und nicht umgesetzter organischer Energieträger durch den ersten Ausgang leitbar sind. Nachfolgend ist nicht umgesetzter organischer Energieträger umfassend Wasser, Isopropanol und Aceton oder alternativ Wasser, Butan-2-ol und Butan-2-on über die Rückführleitung in Richtung zum ersten Speicher oder zum ersten Eingang führbar.
Die Brennstoffzelle ist demnach eine Direkt Alkohol-Brennstoffzelle, deren vorgesehene Soll-Betriebstemperatur niedriger als 150°C (bei Normaldruck) beträgt, vorzugsweise im Bereich von 56 bis 82°C bei Verwendung von Isopropanol im organischen Energieträger oder im Bereich von 80 bis 99°C bei Verwendung von Butan-2-ol im organischen Energieträger, liegt.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 wird ein flüssiges y-Wasser/z-Isopropanol-Gemisch als organischer Energieträger in die Brennstoffzelle eingeleitet. Das Isopropanol ist ein sekundärer Alkohol und weist eine Siedetemperatur von 82°C auf. Das flüssige y-Wasser/z-Isopropanol-Gemisch wird im flüssigen Zustand bei einer vordefinierten Temperatur, beispielsweise um die 75°C, der Brennstoffzelle zugeführt.
Zur Temperierung des flüssigen y-Wasser/z-Isopropanol-Gemischs kann beispielsweise die Abwärme der Brennstoffzelle genutzt werden. Alternativ oder ergänzend kann auch eine separate Heizung vorgesehen sein, um das flüssige y-Wasser/z-Isopropanol-Gemisch auf eine vordefinierte Temperatur zu erwärmen.
Entlang des Flussfeldes des organischen Energieträgers durch die Brennstoffzelle entsteht ein ähnlicher Gradient (z bis z-a) wie beim bisherigen, aus dem Stand der Technik bekannten Betrieb der Brennstoffzelle mit gasförmigem Eduktgemisch. Allerdings wird das Oxidationsprodukt in Form von a-Aceton bei Verwendung von Isopropanol direkt in einen gasförmigen Zustand überführt. Dies ist möglich, weil Aceton eine Siedetemperatur von 56°C aufweist. Dadurch entsteht ein energetisch signifikanter Vorteil in der Trennung des aus der Brennstoffzelle ausgeleiteten Produktstroms. Das gasförmige Oxidationsprodukt in Form von a-Aceton kann beispielsweise in einem temperierten Gas-Flüssigkeitsabscheider abgetrennt und der nach wie vor erwärmte, nicht umgesetzte organische Energieträgerin Form eines y-Wasser/ z-Isopropanol-Gemischs mit verringertem Isopropanolanteil direkt rezirkuliert werden, ohne dass Wärmeenergie verloren geht. Das abgetrennte gasförmige Oxidationsprodukt a-Aceton wird bevorzugt bei Umgebungstemperatur kondensiert und in dem zweiten Speicher aufgefangen und gelagert.
In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 3 wird anstelle von isopropanol ein Butan-2-ol eingesetzt. Der Einsatz von dem nicht primären Alkohol Butan-2-ol (Siedetemperatur von 99°C) führt zu einem Oxidationsprodukt in Form von Butan-2-on (Siedetemperatur von 80°C).
Dabei sind auch Mischungen aus Isopropanol und Butan-2-on einsetzbar. Aufgrund der abweichenden physikalischen Eigenschaften kann die Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und die Abtrennbarkeit der Oxidationsprodukte optimiert werden.
Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltungen ist darin begründet, dass ein unkontrollierter Austritt von Oxidationsprodukt in die Umwelt verhindert wird. Ferner ist es möglich, das gespeicherte Oxidationsprodukt einem stationären Recycling, beispielsweise bei einem Betankungsvorgang, zuzuführen.
Die kathodenseitige Luft-Zufuhr kann bei der Brennstoffzellenanordnung ähnlich wie bei einer konventionellen Wasserstoffbrennstoffzelle über einen Filter, einen Kompressor, einen Massenflussregler und einem Befeuchter erfolgen.
Bevorzugt ist der Abscheider für das Oxidationsprodukt mit dem zweiten Speicher über einen Wärmetauscher verbunden, in welchem das Oxidationsprodukt in einen flüssigen Aggregatszustand überführt wird.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass der organische Energieträger zwischen dem ersten Speicher und dem ersten Eingang der Brennstoffzelle auf eine Temperatur zwischen der Umgebungstemperatur und der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle erwärmt wird, insbesondere wenn die Ist-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle die Soll-Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Hierdurch lässt sich insbesondere die Wirkung erzielen, dass die Brennstoffzelle schneller auf eine gewünschte Soll-Betriebstemperatur eingestellt werden kann, wobei auf die Bevorratung eines separaten Energieübertragungsfluids, wie beispielsweise eines Kühl-/Heizöls, verzichtet werden kann. Dabei kann der organische Energieträger ausgehend vom ersten Speicher in einem separaten beheizten Kreislauf geführt und zur Beheizung der Brennstoffzelle eingesetzt werden, d.h. unabhängig von der Versorgung der Anodenseite mit organischem Energieträger.
Des Weiteren kann das Verfahren auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Brennstoffzelle einen Kreislaufeingang und einen Kreislaufausgang zum Anschluss der Brennstoffzelle an den Kreislauf aufweist, wobei der organische Energieträger dem Kreislaufeingang mit einer Temperatur unterhalb der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zugeleitet wird, insbesondere wenn die Ist-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle die Soll-Betriebstemperatur überschritten hat. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass auch zur Kühlung der Brennstoffzelle kein gesondertes Kühlfluid, wie Kühlwasser oder ein Kühlöl, benötigt wird, da der organische Energieträger diese Funktion mit übernimmt.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante des Verfahrens kann auch vorgesehen sein, das Mischungsverhältnis von Wasser zu Isopropanol oder Wasser zu Butan-2-on zwischen 20:80 und 80:20 Vol.-% einzustellen, was sich für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung als besonders geeignet herausgestellt hat.
Auch kann es vorteilhaft sein, das Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, dass als das elektrochemisch reduzierbare Fluid Luft eingesetzt wird. Grundsätzlich wäre es jedoch auch denkbar, ein flüssiges oder gasförmiges elektrochemisch reduzierbares Fluid, das nicht Luft ist, zu verwenden. Beispielsweise könnte auch reiner Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherte oder Sauerstoff-abgereicherte Luft Verwendung finden.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das elektrochemisch reduzierbare Fluid ohne einen Befeuchter zu durchlaufen dem zweiten Eingang der Brennstoffzelle zugeführt wird, was ebenfalls zu einem vereinfachten verfahrenstechnischen Aufbau der Brennstoffzellenanordnung beiträgt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens beispielhaft erläutert.
Es zeigt:

1 eine erste Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung in einer schematischen Blockschaltdarstellung und ein Verfahren zu deren Betrieb,
2 eine zweite Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung in einer schematischen Blockschaltdarstellung und ein Verfahren zu deren Betrieb,
3 eine dritte Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung in einer schematischen Blockschaltdarstellung und ein Verfahren zu deren Betrieb, und
4 eine vierte Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung in einer schematischen Blockschaltdarstellung und ein Verfahren zu deren Betrieb.

Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem organischen Energieträger 2 und erläutert ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Brennstoffzellenanordnung 1 umfasst einen ersten Speicher 3 zur Bevorratung des organischen Energieträgers 2 in Form eines Gemischs aus Wasser (H₂O) und Isopropanol (IPA). Die Brennstoffzellenanordnung 1 umfasst weiterhin eine Brennstoffzelle 4, welche einen mit dem ersten Speicher 3 verbundenen ersten Eingang 5 auf der Anodenseite, sowie einen ersten Ausgang 6a auf der Anodenseite aufweist. Die Leitung zur Zuführung von organischem Energieträger 2 zum ersten Eingang 5 ist optional beheizt. Ferner besitzt die Brennstoffzelle 4 einen zweiten Eingang 7 auf der Kathodenseite, durch welchen ein elektrochemisch reduzierbares Fluid 8, in den gezeigten Ausführungsbeispielen in Form von Luft, der Brennstoffzelle 4 zugeführt wird. Hier wird die Luft über einen nicht dargestellten Filter, einen nicht näher bezeichneten Kompressor und einen Befeuchter 11 dem zweiten Eingang 7 zugeführt. Der organische Energieträger 2 wird durch das Fluid 8 in der Brennstoffzelle 4 unter Erzeugung elektrischer Energie oxidiert, so dass ein Oxidationsprodukt 9 in Form von Aceton und nicht umgesetzter organischer Energieträger 2' durch den ersten Ausgang 6a in die Rückführleitung 17 und über einen Abscheider 10 geleitet werden. Auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 4 ist weiterhin ein zweiter Ausgang 6b für Produkte der Kathodenseite, insbesondere Wasser, vorhanden.
Das Isopropanol besitzt eine Siedetemperatur, die oberhalb einer Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 4, hier von 75°C, liegt. Das Oxidationsprodukt 9 in Form von Aceton weist eine Siedetemperatur auf, die kleiner ist als die Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 4, so dass das Oxidationsprodukt 9 am ersten Ausgang 6a der Brennstoffzelle 4 gasförmig vorliegt und nicht umgesetztes Isopropanol sowie Wasser als Flüssigkeit vorliegen.
Wie aus der 1 ersichtlich, wird das gasförmige Oxidationsprodukt 9 aus dem Produktstrom über einen Abscheider 10 von dem flüssigen, nicht umgesetzten organischen Energieträger 2' abgetrennt. Das Oxidationsprodukt 9 gelangt über einen Wärmetauscher 18, der das gasförmige Aceton abkühlt, in flüssiger Form in einen zweiten Speicher 12. Das separierte Gemisch aus Wasser mit einem reduzierten Anteil an Isopropanol wird als nicht umgesetzter organischer Energieträger 2' dann über die Rückführleitung 17 zur Brennstoffzelle 4 zurückgeführt. Hier erfolgt dies über einen entsprechenden Anschluss der Rückführleitung 17 zwischen dem ersten Speicher 3 und der Saugseite einer nicht näher bezeichneten Pumpe.
Alternativ oder ergänzend wäre es auch möglich, dass die Rückführleitung 17 zwischen dem ersten Ausgang 6a und dem ersten Speicher 3 direkt im ersten Speicher 3 mündet, so wie es in der 2 gezeigt ist. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 zeigen in 2 gleiche Elemente.
Wie in den 1-4 dargestellt, ist der Abscheider 10 mit dem zweiten Speicher 12 verbunden, in welchem das separierte Oxidationsprodukt 9, bevorzugt in einem flüssigen Aggregatszustand, bevorratet wird.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung 1, bei der die Temperatur des Produktstromes genutzt werden kann, um den organischen Energieträger vor dem Eingang 5 der Brennstoffzelle 4 auf eine Temperatur zwischen der Umgebungstemperatur und der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 4 zu erwärmen. Gleiche Bezugszeichen wie in den 1 und 2 kennzeichnen gleiche Elemente.
Hierzu wird der organische Energieträger 2 zunächst über eine nicht näher bezeichnete Pumpe und über einen weiteren Wärmetauscher 19 im Kreislauf 13a zum Kreislaufeingang 14 der Brennstoffzelle 4 geführt, über den die Abwärme des Produktstromes aus dem ersten Ausgang 6a der Brennstoffzelle 4 auf den organischen Energieträger 2 in dem gestrichelten Kreislauf 13a übertragen wird. Es ist alternativ möglich, dass der gestrichelte Kreislauf 13a auch den Wärmetauscher 18 durchfließen kann und so noch mehr Wärmeenergie aus der Kondensation des Produktes Aceton zu entfernen. Die Brennstoffzelle 4 besitzt in dieser Ausgestaltung der Erfindung einen Kreislaufeingang 14 und einen Kreislaufausgang 15 zum Anschluss der Brennstoffzelle 4 an den Kreislauf 13a. Es versteht sich, dass der Kreislauf 13a zum Kühlen als auch zum Aufwärmen der Brennstoffzelle 4 verwendet werden kann. Der organische Energieträger 2 wird somit über den weiteren Wärmetauscher 19 oder aber auch eine hier nicht dargestellte Heizung (vergleiche 3) vorgewärmt in die Brennstoffzelle 4 geleitet und unterstützt so die Einstellung der Brennstoffzelle 4 auf eine vordefinierte Soll-Betriebstemperatur. Anstelle oder ergänzend zum weiteren Wärmetauscher 19 kann in dem Kreislauf 13a zwischen dem ersten Speicher 3 und dem Kreislaufeingang 14 auch eine solche Heizung vorgesehen sein, mittels derer die Temperatur des organischen Energieträgers 2 eingestellt wird. Der erwärmte organische Energieträger 2 wird über den Kreislaufausgang 15 aus der Brennstoffzelle 4 ausgeleitet und zum ersten Speicher 3 zurückgeführt. Auch eine Zuführung des erwärmten organischen Energieträgers 2 unmittelbar am ersten Eingang 5 der Brennstoffzelle 4 ist möglich. Im ersten Speicher 3 mischt sich der erwärmte organische Energieträger 2 mit dem dort vorgehaltenen organischen Energieträger 2 und wird über eine Pumpe dem ersten Eingang 5 der Brennstoffzelle 4 zugeführt. Der organische Energieträger 2 wird auch hier durch das Fluid 8 in der Brennstoffzelle 4 unter Erzeugung elektrischer Energie oxidiert, so dass ein Oxidationsprodukt 9 in Form von Aceton und nicht umgesetzter organischer Energieträger 2' durch den ersten Ausgang 6a in die Rückführleitung 17 und über den Abscheider 10 geleitet werden. Das gasförmige Oxidationsprodukt 9 aus diesem Produktstrom wird über den Abscheider 10 von dem flüssigen, nicht umgesetzten organischen Energieträger 2' abgetrennt. Das Oxidationsprodukt 9 gelangt über den Wärmetauscher 18, der das gasförmige Aceton abkühlt, in flüssiger Form in den zweiten Speicher 12.
Die 3 zeigt eine hierzu alternative Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung 1, bei der der organische Energieträger 2 dem Kreislaufeingang 14 mit einer Temperatur unterhalb der vorgesehenen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 4 zugeleitet werden kann, insbesondere wenn die Ist-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 4 die Soll-Betriebstemperatur überschritten hat. Gleiche Bezugszeichen wie in den 1, 2 und 4 kennzeichnen gleiche Elemente. Hierzu wird der organische Energieträger 2 direkt aus dem ersten Speicher 3 zur Kühlung der bereits erwärmten Brennstoffzelle 4 verwendet und im Kreislauf 13 geführt, der unabhängig vom Anoden- und Kathodenraum der Brennstoffzelle 4 verläuft. Durch den relativ hierzu kühleren organischen Energieträger 2 erfolgt eine Kühlung der Brennstoffzelle 4. Es wäre in diesem Zusammenhang auch denkbar, dass in dem Kreislauf 13 ein Wärmetauscher zur weiteren Kühlung des organischen Energieträgers 2 angeordnet ist. Auch wäre es möglich, über eine optional nutzbare Heizung 16, welche in dem Kreislauf 13 zwischen dem ersten Speicher 3 und dem Kreislaufeingang 14 angeordnet ist, den organischen Energieträger 2 vorzuwärmen, um beispielsweise die Brennstoffzelle 4 nach einem Kaltstart rasch auf eine gewünschte Soll-Betriebstemperatur einzustellen.
In den Ausführungsbeispielen der 1-4 ist gezeigt, dass das elektrochemisch reduzierbare Fluid 8 einen Befeuchter 11 durchläuft. Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass das elektrochemisch reduzierbare Fluid 8 ohne einen Befeuchter 11 zu durchlaufen an dem zweiten Eingang 7 der Brennstoffzelle 4 anliegt.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenanordnung
2: organischer Energieträger
2': nicht umgesetzter organischer Energieträger
3: erster Speicher
4: Brennstoffzelle
5: erster Eingang
6a: erster Ausgang
6b: zweiter Ausgang
7: zweiter Eingang
8: Fluid
9: Oxidationsprodukt
10: Abscheider
11: Befeuchter
12: zweiter Speicher
13, 13a: Kreislauf
14: Kreislaufeingang
15: Kreislaufausgang
16: Heizung
17: Rückführleitung
18: Wärmetauscher
19: weiterer Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017209891 A1 [0007]
EP 3157086 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung (1) unter Erzeugung elektrischer Energie aus einem organischen Energieträger (2), wobei als organischer Energieträger (2) ein Gemisch aus Wasser und Isopropanol eingesetzt wird, wobei ein erster Speicher (3) zur Bevorratung des organischen Energieträgers (2) und eine Brennstoffzelle (4) vorgesehen werden, welche einen mit dem ersten Speicher (3) verbundenen ersten Eingang (5), sowie einen ersten Ausgang (6a) aufweist, und die Brennstoffzelle (4) ferner einen zweiten Eingang (7) besitzt, durch welchen ein elektrochemisch reduzierbares Fluid (8), insbesondere Luft, der Brennstoffzelle (4) zugeführt wird, wobei der organische Energieträger (2) durch das Fluid (8) in der Brennstoffzelle (4) unter Erzeugung elektrischer Energie oxidiert wird, so dass ein Oxidationsprodukt (9) des organischen Energieträgers (2) in Form von Aceton und nicht umgesetzter organischer Energieträger (2') durch den ersten Ausgang (6a) ausgeleitet werden, wobei das Isopropanol eine Siedetemperatur besitzt, die oberhalb einer Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) liegt, und das Aceton eine Siedetemperatur aufweist, die unterhalb der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) liegt, so dass das Aceton am ersten Ausgang (6a) der Brennstoffzelle (4) gasförmig vorliegt und nicht umgesetzter organischer Energieträger (2') als Flüssigkeit vorliegt, wobei in einer Rückführleitung (17) vom ersten Ausgang (6a) zum ersten Speicher (3) oder zum ersten Eingang (5) ein Abscheider (10) zur Abtrennung des Aceton vom nicht umgesetzten organischen Energieträger (2') vorgesehen ist, wobei das Aceton in einen zweiten Speicher (12) überführt wird und der nicht umgesetzte organische Energieträger (2') zumindest teilweise über die Rückführleitung (17) zurück zum ersten Speicher (3) oder ersten Eingang (5) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) im Bereich von 56 bis 82°C eingestellt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung (1) unter Erzeugung elektrischer Energie aus einem organischen Energieträger (2), wobei als organischer Energieträger (2) ein Gemisch aus Wasser und Butan-2-ol (C₄H₁₀O) eingesetzt wird, wobei ein erster Speicher (3) zur Bevorratung des organischen Energieträgers (2) und eine Brennstoffzelle (4) vorgesehen werden, welche einen mit dem ersten Speicher (3) verbundenen ersten Eingang (5), sowie einen ersten Ausgang (6a) aufweist, und die Brennstoffzelle (4) ferner einen zweiten Eingang (7) besitzt, durch welchen ein elektrochemisch reduzierbares Fluid (8), insbesondere Luft, der Brennstoffzelle (4) zugeführt wird, wobei der organische Energieträger (2) durch das Fluid (8) in der Brennstoffzelle (4) unter Erzeugung elektrischer Energie oxidiert wird, so dass ein Oxidationsprodukt (9) des organischen Energieträgers (2) in Form von Butan-2-on (C₄H₈O) und nicht umgesetzter organischer Energieträger (2') durch den ersten Ausgang (6a) ausgeleitet werden, wobei das Butan-2-ol eine Siedetemperatur besitzt, die oberhalb einer Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) liegt, und das Butan-2-on eine Siedetemperatur aufweist, die unterhalb der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) liegt, so dass das Butan-2-on am ersten Ausgang (6a) der Brennstoffzelle (4) gasförmig vorliegt und nicht umgesetzter organischer Energieträger (2') als Flüssigkeit vorliegt, wobei in einer Rückführleitung (17) vom ersten Ausgang (6a) zum ersten Speicher (3) oder zum ersten Eingang (5) ein Abscheider (10) zur Abtrennung des Butan-2-on vom nicht umgesetzten organischen Energieträger (2') vorgesehen ist, wobei das Butan-2-on in einen zweiten Speicher (12) überführt wird und der nicht umgesetzte organische Energieträger (2') zumindest teilweise über die Rückführleitung (17) zurück zum ersten Speicher (3) oder ersten Eingang (5) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) im Bereich von 80 bis 99°C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Abscheider (10) mit dem zweiten Speicher (12) über einen Wärmetauscher (18) verbunden ist, in welchem das gasförmige Oxidationsprodukt (9) in einen flüssigen Aggregatszustand überführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der organische Energieträger (2) zwischen dem ersten Speicher (3) und dem ersten Eingang (5) der Brennstoffzelle (4) auf eine Temperatur zwischen der Umgebungstemperatur und der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) erwärmt wird, insbesondere wenn eine Ist-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) die Soll-Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle (4) einen Kreislaufeingang (14) und einen Kreislaufausgang (15) zum Anschluss der Brennstoffzelle (4) an einen Kreislauf (13) aufweist, wobei der organische Energieträger (2) dem Kreislaufeingang (14) mit einer Temperatur unterhalb der Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) zugeleitet wird, insbesondere wenn die Ist-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) die Soll-Betriebstemperatur überschritten hat.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das elektrochemisch reduzierbare Fluid (8), ohne einen Befeuchter (11) zu durchlaufen, über den zweiten Eingang (7) der Brennstoffzelle (4) zugeführt wird.
Brennstoffzellenanordnung (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend den ersten Speicher (3), die Brennstoffzelle (4), die Rückführleitung (17) vom ersten Ausgang (6a) der Brennstoffzelle (4) zurück zum ersten Speicher (3) oder zum ersten Eingang (5) der Brennstoffzelle (4), den Abscheider (10) und den zweiten Speicher (12).
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 9, wobei weiterhin zwischen dem Abscheider (10) und dem zweiten Speicher (12) ein Wärmetauscher (18) angeordnet ist.