DE19740657A1 - Billigbrennstoffzellensystem mit Methanol als Brennstoff - Google Patents
Billigbrennstoffzellensystem mit Methanol als BrennstoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Systems der
Stromerzeugung aus Luft oder Sauerstoff, welches aus kompakten,
leistungsfähigen und preiswerten Komponenten aufgebaut ist. Damit
werden die Herstellungskosten wesentlich erniedrigt.
Bekannt sind Brennstoffzellensysteme mit basischen und sauren
Elektrolyten unterschiedlicher Reaktionstemperatur. Zur Realisierung
eines billigen der Preisebene von den konkurrierenden Motoren mit
Generatoren führen jedoch nur die Brennstoffzellen mit niedrigen
Temperaturen zu Verhältnissen, die ein vergleichbares Preisniveau
denkbar werden lassen. Das gilt auch für die Betriebsbereitschaft, die
bei Niedertemperaturbrennstoffzellen ausreichend kurz erreichbar ist,
d. h. sie kann immer betriebsbereit sein.
Ziel der Entwicklungen eines neuen billigen Brennstoffzellensystems
war es deshalb, auf der Basis der bekannten Verfahren nach völlig
neuen Komponenten zu suchen, die preiswert in Serie hergestellt
werden können und die eine hohe Lebenserwartung bei hohem
Wirkungsgrad, d. h. hoher Energieausnutzung zur Erzeugung von
Strom und Wärme, ermöglichen. Dieses ist bei den jetzigen
Brennstoffzellen aus vielen Gründen noch nicht erreicht. Die
Entwicklungen sind auf Schwierigkeiten gestoßen, die nicht
beseitigbar erscheinen.
Dieses gilt insbesondere für die alkalische Brennstoffzelle mit der
Kalilauge als Elektrolyt, die wegen der nicht überwindbar
erscheinenden Schwierigkeiten kein Entwicklungsschwerpunkt der
Brennstoffzellentechnik mehr ist. Diese Schwierigkeiten bestehen
darin, daß die Haltbarkeit und der Wirkungsgrad der alkalischen
Brennstoffzelle nicht zufriedenstellend sind. Dieses hat seine Ursache
in der Lösung, wie die Entfernung des Reaktionswassers erfolgt und
der Art der gewählten Elektroden.
Überaschenderweise wurde nun gefunden, daß es tatsächlich
möglich ist, diese Schwierigkeiten mit völlig neuartigen und
preiswerten Komponenten zu überwinden. Dabei wurde als
Voraussetzung dafür gefunden, daß eine innige Vernetzung zwischen
der Brennstoffzelleneinheit und der Erzeugung des Wasserstoffes für
die Brennstoffzelle aus Methanol diese Schwierigkeiten überwinden
hilft. Beide Teileinheiten, die Brennstoffzelle und die
Herstellungseinheit von Wasserstoff aus Methanol, bringen durch die
erfindungsgemäßen Elemente die Überwindung der Schwierigkeiten.
In dem erfinderischen Verfahren wurden die Elemente flammlos
katalytische Verbrennung, Sinterelektroden, Reaktionswasserent
fernung in der Destillation, Reaktionswärmeeinbringung in der
Methanolspaltung durch Heat-pipe-Wärmetauscher und die
Verteilung der Reaktionsgase in der Brennstoffzelle über
Verschäumung als die Komponenten gefunden, die die Erreichung
des erfinderischen Zieles ermöglichen.
Das erfinderische Verfahren wird an Hand der Fig. 1 näher erläutert.
Es zeigt dieses die erfinderischen Komponenten mit den
Bezeichnungen 3, 5, 9, 10, 15, 18, 1, 17, 19, 26 und 30.
Das erfinderische Verfahren ist in Fig. 1 dargestellt. Mit 1 ist die
Brennstoffzelle bezeichnet. Der Wasserstoffstrom 7 wird in der
Verschäumungskammer 9 mit der ca. 60°C warmen Kalilauge so
gemischt, daß dabei ein Schaum entsteht. Dieses wird erreicht,
indem Tenside der Kalilauge zugegeben sind. Das Gemisch gelangt
in die Verteilungskammer 2 und reagiert an der Sinterelektrode 3.
Diese Sinterelektrode ist eine Kupferkugelsinterplatte, die
oberflächlich mit einer Legierung von Nickel und Aluminium bedampft
ist. Diese gesinterte Elektrode wird in Natronlauge von dem
Aluminium befreit, so daß die Oberfläche aus Raneynickel besteht.
Die Verteilungskammer 2 ist von der Verteilungskammer 6 getrennt
durch ein Diapragma, also einer Ionendurchlässigen Wand. Auf der
anderen Seite des Diapragmas ist die Sinterelektrode aus
Raneysilber auf dem Kupferkugelsinterkörper. Beide Sinterkörper
sind über den Stromkreis leitend miteinander verbunden. In die auf
der rechten Seite befindliche Verteilungskammer 6 gelangt der
Schaum aus Luft 8 und Kalilauge, der sich in der Mischeinheit 10
bildet.
In den Abscheidern von Gas und Lauge 11 werden die nicht
umgesetzten Gasanteile aus der Brennstoffzelle von der Lauge
getrennt, die als Lauge von ca. 70°C 24 zur Abtrennung des
Reaktionswassers in den Wärmetauscher 26 eingeleitet wird. Das
abgeschiedene Gas, der Restwasserstoff 12 und die Restluft 13
werden in dem Gasmischer für die Verbrennungsgasleitung 14
gemischt und in die flammlos katalytische Verbrennung 15
weitergeleitet.
In der flammlos katalytischen Verbrennungseinheit 15 ist eine
temperaturfeste Auskleidung aus beispielsweise Siliziumkarbid,
Siamant. In der flammlos katalytischen Verbrennungseinheit 15 sind
nacheinander die Flammenrückschlagsperre 16, die aus einem
Wabenkörper besteht, der Verbrennungskatalysator 17, der aus
einem mit katalytisch aktiven Materialien wie LaCeCoO3, Platin und
Rhodium, beschichtet ist. Diesem katalytisch aktiven Wabenkörper ist
ein Heat-pipe-Wärmetauscher 18 nachgeordnet der aus Heat-pipe-
Rohren und katalysatorabgewandt Heat-pipe-Rippenrohren besteht.
Dem Erwärmungsteil des Heat-pipe-Wärmetauschers nachgeschal
tet ist die katalytische Nachverbrennungswabe 19, die ebenfalls mit
Aktivmaterial für die Nachverbrennung beschichtet ist. Das in der
flammlos katalytischen Verbrennung aus dem Restgas der Brenn
stoffzelle erzeugte heiße Rauchgas wird in die Wärmetauscher
kammer 20 eingeleitet. In der Wärmetauscherkammer befinden sich
der Wärmetauscher 21, der das flüssige Methanol 22 verdampft und
das dampfförmige Methanol 23 erzeugt. Diesem Wärmetauscher 21
ist der Wärmetauscher 26, der die warme Kalilauge 24 mit dem Reak
tionswasser zu einem Gemisch von Kalilauge ohne Reaktionswasser
25, also in der Konzentration 6-normal, und den Wasserdampf
umwandelt.
Zu dem Wärmetauscher 26 gehört auch der Dampfabscheider auf der
rechten Seite, der die Kalilauge von dem Dampf trennt, der in der
Mischkammer 27 mit dem Methanoldampf gemischt wird. Das
Dampfgemisch gelangt in den Methanolzersetzungsreaktor 28, in
dem hintereinander die Rückschlagsperre 29, der Heat-pipe-
Wärmetauscher 30 und die Katalysatorschüttung für die
Methanolzersetzungsreaktion 31 angeordnet ist. Der Heat-pipe-
Wärmetauscher 30 ist mit dem Wärmetauscher 18 verbunden und
heizt das Gemisch auf Reaktionstemperatur auf. Zweckmäßigerweise
sind die Katalysatorelemente der Schüttung auch zwischen den
Rippen des Heat-pipe-Wärmetauschers angeordnet.
Die in dem Methanolzersetzungsreaktor 28 erreichte Reinheit an
Wasserstoff ist nicht ausreichend. Deshalb ist dem Methanol
zersetzungsreaktor 28 die Konvertierung 32 nachgeschaltet, die die
Katalysatorelemente 33 besitzt. Durch Temperaturregelung mit
zusätzlicher Wassereinspritzung wird bei einer Reaktionstemperatur
von etwa 200°C mit kupferhaltigen Katalysatoren eine sehr niedrige
CO-Konzentration erreicht, so daß das Gemisch 34 fast nur aus CO2,
Wasserdampf und Wasserstoff besteht.
Das Gemisch 34 gelang über einen Kondensator 35 in den
Feststoffadsorber 37. Die Kühlung des Kondensators 36 geschieht
über Wasser, das in die Dampfform 35 dabei überführt wird. Dieses
ist möglich, da die Kondensation unter Druck und die Verdampfung
drucklos erfolgt. Der drucklose Wasserdampf wird dazu verwendet,
den beladenen Feststoffadsorber 38 durch Temperaturerhöhung und
Strippen zu reinigen und das CO2 und CO der Beladung abzuführen.
Nach Wärmeabfuhr ist das Gemisch aus hauptsächlich CO2 und
kleine Verunreinigungen an CO ein relativ reines Abgas, da die
Verunreinigungen an CO innerhalb der zugelassenen Abgas
grenzwerte sind. Die Adsorber 36 werden somit periodisch
umgeschaltet. Ihr Adsorptionsmaterial sind übliche Materialien aus
Molekularsieben, Aktivkohlen oder speziellen Aluminiumoxiden.
Ein nachfolgendes Ausführungsbeispiel zeigt die erfinderischen
Verhältnisse des Verfahrens näher.
Eine Brennstoffzelle mit 30 Zellen, bestehend aus dem
Wasserstoffteil und dem Luftteil in der Größe von 200 × 200 mm
Sinterelektrodengröße wird mit Sinterelektroden aus einem
Sinterprozeß auf einem Sinterband mit gesinterten Kupferkugeln und
Raneysilber und gesinterten Eisenkugeln und Raneynickel bestückt.
Die elektrische Leistung der Einheit ist 5 kW. Dabei werden 2,2 kg/h
Methanol verbraucht und ca. 5 kW Wärme an der Laugenkühlung, der
Rauchgaskühlung der flammlos-katalytischen Verbrennung und der
Dampfkühlung nach der Desorption der Adsorber 37 oder 38
gewonnen.
Die Heat-pipe-Wärmetauscher übertragen eine Wärmeleistung von 2
kW und bestehen aus 10 Heat-pipe-Röhren in der ersten Reihe ohne
Rippen und 5 Heat-pipe-Röhren mit Rippen und haben eine Länge
420 mm mit einer Zwischenlänge zwischen den beiden Teilen 15 und
28 von 20 mm. Die Querschnittmaße der beiden Teile 15 und 28
haben einen inneren Querschnitt von 200 × 200 mm.
Der erreichte Wirkungsgrad der Umsetzung in der Brennstoffzelle ist
90%, wobei 45% auf die Abgabe der elektrischen Leistung und 45%
auf die Abgabe von Wärmeenergie entfallen. Als Katalysatoren für die
flammlos-katalytische Verbrennung werden Beschichtungen von
Platin, Rhodium und Lanthan-Cer-Kobaltit und für die Methanol
zersetzung Katalysatorgemische von Zn : Chrom von 3 : 1 als Oxide
auf keramischen Träger verwendet.
Es wird als Elektrolyt Kalilauge in der mittleren Konzentration von 6-n
verwendet. Die Materialien für das Gerüst der Brennstoffzelle
Polyethylen. Die Zellen werden durch Zuganker zusammengehalten,
wobei die Dichtungen aus Viton in die Rahmen eingelegt sind.
Für die Niedertemperaturkonvertierung wird ein TT-Kon
vertierungskontakt aus Kupfer eingesetzt. Die Abscheider sind mit
Demistoren ausgerüstet, Drahtgeflechten, die eine
Tropfenabscheidung in dem vom Hersteller angegebenen Maße bei
den eingehaltenen Strömungsgeschwindigkeiten gewährleisten.
1
Brennstoffzellenanlage
2
Wasserstoffseite der Brennstoffzelle
3
Wasserstoffelektrode aus Raneynickel
4
Diapragma zwischen den Katalysatoren
5
Sauerstoffelektrode aus Raneysilber
6
Sauerstoff- bzw. Luftseite der Brennstoffzelle
7
Wasserstoffanschluß verbunden mit
37
8
Luftanschluß vom Ventilator
9
Mischeinheit mit Schaumbildung zwischen Wasserstoff und Lauge
10
Mischeinheit mit Schaumbildung zwischen Sauerstoff oder Luft und
Lauge
11
Abscheider der Lauge von den Gasen
12
Restwasserstoffleitung ohne Lauge
13
Restsauerstoff- oder Restluftleitung ohne Lauge
14
Gasmischer für die Verbrennungsgasleitung
15
Flammlos katalytischer Brenner mit Spezialauskleidung (Siamant)
16
Flammenrückschlagsperre aus Wabenkörper
17
Katalysatorwabe mit Oxidationskatalysatoren beschichtet
18
Heat-pipe-Röhrenbündel
19
Nachverbrennungskatalysator mit Oxidationskatalysatoren beschichtet
20
Wärmetauscherkammer zur Erwärmung und Verdampfung von
Methanol und Wasser
21
Methanolverdampfer
22
Eingangsleitung für das flüssige Methanol
23
Abgangsleitung für das dampfförmige Methanol
24
Eingangsleitung für die Lauge mit Reaktionswasser
25
Ausgangsleitung des Gemisches der Lauge ohne Reaktionswasser
und dem Reaktionswasserdampf
26
Wärmetauscher zur Verdampfung des Reaktionswassers mit der
Wärme der flammlos katalytischen Verbrennung
27
Mischkammer des Reaktionswasserdampfes mit dem Methanoldampf
28
Methanolzersetzungsreaktor als steam reformer
29
Reaktionsrückschlagsperre als Wabenkörper
30
Heat-pipe-Wärmetauscher zur Aufheizung des Methanol-
/Wasserdampfes
auf Reaktionstemperatur
31
Katalysatorschüttung für die Methanolzersetzungsreaktion
32
Konvertierungsreaktor
33
Katalysatorschüttung für die Konvertierungsreaktion
34
Wasserstoffgas aus der TT-Konvertierung
35
Kondensator und Kühler zur Abscheidung des Wasserdampfes unter
Druck, gekühlt durch Wasser, das verdampft wird für die Desorption
36
CO2
-Adsorber
37
Gereinigter und reiner Wasserstoff zur Einleitung in die Brennstoffzelle
an Stelle
7
38
In Regeneration befindlicher CO2
-Adsorber, der durch Dampf
beaufschlagung von dem CO2
freigestrippt wird.
Claims (6)
1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom durch eine
Brennstoffzelle verbunden mit einer Methanolzersetzungsanlage,
dadurch gekennzeichnet, daß die Restgase aus der Brennstoffzelle in
einer flammlos-katalytischen Verbrennung sowohl die Reaktions
partner der Methanolzersetzung verdampfen, als auch die
Reaktionswärme über eine Heat-pipe Wärmeübertragung einleiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heat
pipe-Elemente auf der Seite der Heizung durch die flammlos
katalytische Verbrennung keine Rippen und auf der der Heizung
abgewandten Seite Rippen besitzen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die
Brennstoffzelle als stromerzeugende Elektroden Sinterscheiben
haben, die auf den gesinterten Grundkugeln die Raney
beschichtungen aufgedampft haben.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verteilung der Gase in der Brennstoffzelle über eine Verschäumung
vergleichmäßigt wird und nach der Brennstoffzelle über Demistoren
wieder aufgelöst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Reaktionswasser aus der Lauge verdampft wird und anschließend
dem Methanoldampf für die Reaktion in der Methanolzersetzung und
Konversion als Reaktionspartner zur Verfügung steht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Heizenergie durch Wassererwärmung in den Stufen nach der
Desorption, dann nach der Abtrennung des Reaktionswassers mit
den heißen Laugen und schließlich nach der flammlos-katalytischen
Verbrennung erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19740657A DE19740657A1 (de) | 1997-09-16 | 1997-09-16 | Billigbrennstoffzellensystem mit Methanol als Brennstoff |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19740657A DE19740657A1 (de) | 1997-09-16 | 1997-09-16 | Billigbrennstoffzellensystem mit Methanol als Brennstoff |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19740657A1 true DE19740657A1 (de) | 1999-03-18 |
Family
ID=7842489
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19740657A Withdrawn DE19740657A1 (de) | 1997-09-16 | 1997-09-16 | Billigbrennstoffzellensystem mit Methanol als Brennstoff |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19740657A1 (de) |
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1997
- 1997-09-16 DE DE19740657A patent/DE19740657A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |