DE2021605A1 - Brennstoffzellenaggregat fuer die Verbrennung von Methanol - Google Patents

Description

• Brennstoffzellenaggregat für die Verbrennung von Methanol Brennstoffzellenaggregat für die Verbrennung von Methanol zur Erzeugung elektrischer Energie unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser, bestehend aus einer Brennstoffzelle mit saurem Elektrolyten und einem Gaserzeuger, in dem das Methanol katalytisch zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff zersetzt wird.
• Es ist im allgemeinen erwünscht, Brennstoffzellen mit billigen Brennstoffen hoher Energiedichte zu betreiben; daher ist flüssigen Brennstoffen generell der Vorzug zu geben, besonders wenn das stromerzeugende Aggregat nicht ortsgebunden sein soll.
• Flüssige Brennstoffe sind, wenn man von dem relativ teuren Hydrazin absieht, Kohlenstoffverbindungen. Da die elektrochemische Oxydation dieser Verbindungen Kohlendioxid in der Zelle erzeugt, ist es wünschenswert, saure Elektrolyte zu verwenden, um die bei alkalischen Elektrolyten eintretende Carbonatisierung zu vermeiden.
• Unter den flüssigen Brennstoffen hat schon seit längerer Zeit das Methanol besondere Beachtung gefunden, weil diese Verbindung billig, mit wässerigen Elektrolyten leicht mischbar und an einfach gebauten Elektroden oxydierbar ist uel ("dissolvedAfuel cell't). Bisher kann Methanol direkt aber nur an Katalysatoren umgesetzt werden, die Platinmetalle enthalten und deshalb teuer sind.
• Ein indirekter Umsatz des Methanols läßt sich erzielen, wenn man nach der Reaktionsgleichung CH3OH + 1120 = C02 + 3 H2 Methanol mit Wasserdampf reformiert, indem man Methanol mit Wasser im stöchiometrischen Verhältnis mischt und in Gegenwart eines geeigneten Katalysators bei etwa 250 0c reagieren läßt.
• Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den großen Nachteil, daß für den Prozeß der Reformierung pro Mol Methanol ein Mol Wasserdampf auf die Reaktionstemperatur gebracht werden muß und nach erfolgter Reaktion neben dem als Brennstoff dienenden Wasserdampf ein Mol Kohlendioxid, das ja bereits Abfallprodukt ist, auf die Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle abgekühlt und durch die Brennstoffzelle weiterhin als Ballast geschleppt werden muß. Durch die bei diesem Verfahren benötigten Wärmetauscher wird das Gewicht sowie das Volumen des gesamten Aggregats erheblich erhöht. Hinzu kommen aufwendige Regeleinrichtungen für die Anpassung des Wasser-Methanol-Gemisches an die Belastung der Brennstoffzelle.
• Es hat sich nun gezeigt, daß die Nachteile der bekannten Verfahren durch ein Brennstoffzellenaggregat der eingangs genannten Art zu vermeiden sind, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Gaserzeuger direkt mit der Brennstoffzelle verbunden ist, und daß die Anoden der Brennstoffzelle einen oder mehrere Katalysatoren für den Umsatz des Kohlenmonoxids und des Wasserstoffs enthalten.
• Im Gegensatz zu bekannten Verfahren ist also die Verwendung eines Vorreinigers o.ä. zwischen dem Gaserzeuger und der Brennstoffzelle nicht erforderlich.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Brennstoffzellenaggregat> inwelchem Methanol bei etwa 0 250 C nach der Reaktionsgleichung CH3OH = CO + 2 H2 durch Überleiten von Methanoldampf über einen geeigneten Katalysator in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zerlegt wird.
• Diese an sich bekannte Crackreaktion konnte bisher in der Brennstoffzellentechnologie nicht ausgenutzt werden, weil die in sauren Elektrolyten verwendeten Katalysatoren durch Kohlenmonoxid vergiftet wurden. In dem erfindungsgemäßen Aggregat enthalten die Brennstoffzellenanoden Katalysatoren, an denen neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid elektrochemisch oxydiert wird. An dem als Katalysator vorgesehenen Wolframkarbid wird nicht nur Wasserstoff, sondern auch Kohlenmonoxid umgesetzt. Da die Reaktionsgeschwindigkeit für die Oxydation von Kohlenmonoxid an Wolframkarbid recht klein ist, wird erfindungsgemäß ein speziell für den Umsatz von Kohlenmonoxid geeigneter Katalysator beigemischt. Dafür eignen sich Schwermetallsulfide, wie Wolframdisulfid oder Molybdändisulfid, insbesondere bei Zusatz geringer Mengen Platin, das überraschenderweise in Gegenwart einer Reihe von Schwermetallsulfiden nicht durch Kohlenmonoxid vergiftet wird, ein Effekt' der zunächst an mit Schwefel bedecktem Platin beobachtet wurde.
• Statt Elektroden mit Mischkatalysatoren kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung die Brennstoffzelle zwei verschiedene Anodenarten enthalten, von denen die eine Anodensorte einen Katalysator enthält, an dem vorwiegend Wasserstoff oxydiert wird, während an der anderen Anodensorte vorwiegend Kohlenmonoxid oxydiert wird.
• Ferner können erfindungsgemäß die Katalysatoren für die Anode im wesentlichen aus Wolframkarbid und/oder aus Schwermetalisulfiden bestehen.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung sind als Schwermetallsulfide Molybdänsulfid und/ oder Wolframsulfid vorgesehen.
• Schließlich ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn die Schwermetallsulfide geringe Mengen von Platinmetall enthalten.
• Die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels soll den Erfindungsgedanken noch besonders verdeutlichen: Das Brennstoffzellenaggregat besteht aus einem Gaserzeuger, in welchem Methanol katalytisch zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff zersetzt wird, und aus einer Brennstoffzelle, der das Spaltgas ohne Zwischenschaltung von Reinigungsanlagen zugeführt wird.
• Der Gaserzeuger enthält ein auf 2600C beheiztes Rohr von 60 mm Durchmesser und einer Länge von 250 mm. In dem Rohr befinden sich 350 ml des Katalysators, der aus einem auf ein 1 mm - Granulat von Aluminiumoxid aufgebrachten Gemisch von Nickeloxid und Kupferoxid besteht, sowie ein System konzentrischer Rohre, das die Katalysatorbettlänge auf 700 mm bringt. Zur Beheizung des Rohres dient ein Methanolbrenner, der etwa 20% des Gesamtmethanoiverbrauches des Brennstoffzellenaggregats benötigt. Bei einer Methanolzufuhr von 40 ml/h in das Katalysatorbett erzeugt der Generator eine Menge von etwa 67 Normalliter pro Stunde an Spaltgas, die bei einem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle von 50 etwa 100 W elektrischer Leistung entsprechen.
• Die Brennstoffzelle enthält als Elektrolyt zweinormale Schwefelsäure. Die Elektroden sind drucklos arbeitende Diffusionselektroden mit einer hydrophobierenden Polytetrafluoräthylen-Rückschicht. Der Elektrodendurchmesser beträgt 90 mm, als Anodenkatalysator wird ein Gemisch von Wolframcarbid mit wolframdotiertem Molybdänsulfid und als Kathodenkatalysator aktivierte Kohle verwendet.
• Brennstoffzellenaggregate der beschriebenen Art können beispielsweise zur Energieversorgung von Nachrichtenübermittlungsgeräten (Radioempfänger, Fernsehempfänger, Fernsehkameras, Sprechfunkgeräte), Warneinrichtungen (Verkehrsampeln, Blinkleuchten, Sirenen), Kühlanlagen, Pumpen oder Elektrowerkzeugen,bei entsprechender Leistungsauslegung auch zum Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Claims (5)

1. Patentansprüche

   Brennstoffzellenaggregat für die Verbrennung von Methanol zur Erzeugung elektrischer Energie unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser, bestehend aus einer Brennstoffzelle mit saurem Elektrolyten und einem Gaserzeuger, in dem das Methanol katalytisch zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff zersetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaserzeuger direkt mit der Brennstoffzelle verbunden ist, und daß die Anoden der Brennstoffzelle einen oder mehrere Katalysatoren für den Umsatz des Kohlenmonoxids und des Wasserstoffs enthalten.
2. 2. Brennstoffzellenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle zwei Arten von Anoden enthält, von denen eine Art im wesentlichen zur Oxydation des Wasserstoffs, die andere Art im wesentlichen zur Oxydation des Kohlenmonoxids vorgesehen ist.
3. 3. Brennstoffzellenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoren für die Anode im wesentlichen aus Wolframkarbid und/oder aus Schwermetallsulfiden bestehen.
4. 4. Brennstoffzellenaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwermetallsulfide Molybdänsulfid und/oder Wolframsulfid vorgesehen sind.
5. 5. Brennstoffzellenaggregat nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallsulfide geringe Mengen von Platinmetallen enthalten.