SE530745C2 - Metod att köra en bränslecell där anoden har en katalysator som innefattar tellur - Google Patents

Description

25 30 35 539 745 Syre kan tillföras i ren form till katodsidan men det är också möjligt att tillföra syre till processen genom att mata en syrebärare till bränsleeellen. Bäraren är väteperoxid i vätskeform. Processen kan lämpligen använda väteperoxid som är löst i vatten och har en koncentration av 3-10 %. Processen kan t.ex. använda väteperoxid som är löst i vatten i en koncentration av 5 %. Även metanolen kan vara löst i vatten. Om det används metanol löst i vatten kan metanolen ha en koncentration av 5-95 %, företrädesvis 20-80 % och än mer föredraget 40-70 %.

Elektrisk energi som genereras i processen kan användas för att värma vätskeforrnig metanol innan metanolen matas till anodsidan. Metanolen används sedan för att kyla bränsleeellen. Då metanolen används som kylmedel kommer metanolens temperatur att öka. Då metanolen som använts i processen kommer in i bränslecellen vid en högre temperatur kommer detta göra att processen blir mera effektiv. Användning av metanolen som kylmedel kommer således att ge en dubbel fördel.

För att processen ska arbeta jämnt och effektivt bör temperaturen inte vara alltför låg.

Detta kan eventuellt utgöra ett problem ifall processen måste startas från en låg temperatur. För att motverka detta möjliga problem kan processen köras med minskad produktion, helt enkelt för att bibehålla bränslecellen vid en minimal temperatur (det skall kommas ihåg att processen genererar värme). Processen kan Lex. köras under en förlängd period för att generera en uteffekt som är mindre än 20 % av den maximalt möjliga uteffekten, varigenom temperaturen i bränslecellen bibehålls över en förutbestämd nivå. Alternativt kan processen köras för att generera en uteffekt som inte är högre än 10 % av den maximala uteffekten eller kanske inte högre än 5 %.

Under den reaktion som äger rum i bränslecellen genereras det koldioxid. l princip kan reaktionen som äger rum i bränslecellen beskrivas i termer av en process i vilken metanol blir till koldioxid, vatten och elektrisk ström eller CH3OH-> CO2+H2O+ e'.

Enligt en uttöringsforrn av uppfinningen kan den sålunda erhållna koldioxiden lagras så att den kan användas senare i en omvänd process i vilken koldioxid används för att producera metanol i bränslecellen (CO2+H2O + e' -> CH3OH). En sådan Omvänd process kan således innefatta att mata koldioxid till anodsidan, mata vatten till katodsidan, tillsätta en elektrisk ström och därigenom ge en reaktion som i ett slutligt steg genererar metanol. En sådan omvänd process kan användas i samband med sådana kraftanläggningar där tillförseln av energi inte är konstant. Detta kan Lex. vara fallet för 10 15 20 25 30 35 530 745 vindkraftsanläggriingar för vilka det vanligen inte är möjligt att förutsäga när vinden kommer att blåsa och i vilken grad. Vid tidpunkter då det blåser en vind och det genereras mer elektricitet än vad som behövs för tillfället, kan den omvända processen användas för att framställa metanol som lagras, t.ex. i en tank. Lagrad metanol kan användas senare för att generera elektricitet i en bränslecell, då det inte finns någon vindenergi tillgänglig.

Metoden innefattar dessutom observation av en variabel som indikerar ett behov av elektricitet och körande av processen för att generera elektricitet då den observerade variabeln överskrider ett förutbestämt värde och vända på processen om den observerade variabeln inte överskrider det förutbestämda värdet. Behovet av elektrisk krafi; variera över tiden. Det är t.ex. ofta fallet att behovet av elektricitet är lägre under natten och högre under dagen. I länder med kallt klimat är behovet av elektricitet ofta högt på vintern och något lägre på sommaren. I vissa andra länder med ett varmare klimat kan det vara så att det behövs mycket energi under sommaren för att driva luftkonditioneringsutrustning, medan behovet av elektricitet kan vara lägre under vintern. Processen enligt föreliggande uppfinning kan köras i två olika riktningar. I en riktning kan processen användas för att generera elektricitet. I den motsatta riktningen används elektricitet för att framställa metanol. Under perioder då behovet av elektricitet är lågt och det finns elektrisk kraft tillgänglig, t.ex. elektrisk kraft från en vindkrafts- anläggning, kan det vara fördelaktigt att köra processen omvänt för att producera metanol. På detta sätt kan elektrisk energi lagras i form av metanol. Det kan användas olika metoder för att bestämma behovet av elektricitet. Om t.ex. uppfinningen utnyttjas inom ett begränsat område så kan behovet av energi bestämmas genom bedömning av en mänsklig operatör eller medelst en mätanordning. I större skala kan bevakning av elpriset utgöra ett enkelt sätt att bestämma behovet av elektricitet. Då elpriset är högt så indikerar detta att behovet av elektricitet är högt. Omvänt, om elpriset är lågt så indikerar detta att behovet av elektrisk kraft är lågt.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Fig. 1 är en schematisk representation av en bränslecell enligt uppfinningen, i där bränslecellen körs för att generera elektricitet.

Fig. 2 är en schematisk representation av en bränslecell liknande bränslecellen i Fig. 1, men där processen bringas att köra i motsatt riktning för att producera metanol. 10 15 20 25 30 35 530 745 Fig. 3 är en schematisk illustration över hur bränslecellen kan anslutas till en kraitanläggriing, t.ex. en vindkraftsariläggriíng.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINN INGEN Med hänvisning till Fig. 1 utnyttjar den uppfinningsenliga metoden en bränslecell 1 som indikeras schematiskt i figuren. Bränslecellen 1 har en anod 2 och en katod 3. Anoden 2 är åtskild från katoden 3 medelst ett membran 4 som fungerar som en elektrolyt och som kan vara utformat av ett polymermaterial. Anoden 2 har en katalysator som innefattar Te (tellur). Av katalysatorsubstansen eller -substansema som är närvarande i anoden representerar Te företrädesvis 5-20 vikt-% av katalysatormaterialet eller 5-30 % Te. Det kan också finnas andra katalysatorsubstanser närvarande, tex. Ag (silver).

Silver kan utgöra 40 vikt-% eller mer. I figuren indikeras det schematiskt fyra öppningar 9, 10, 11, 12. Genom dessa öppningar kan fluid komma in i eller lämna bränslecellen 1. Andra katalysatorsubstanser på anodsidan kan inkludera tenn (Sn), guld (Au), titan (Ti), titandioxid, vanadin (V) och volfram (W).

En tank 6 kan innehålla en fluid som tillförs till bränslecellens anodsida, genom ledningen 5 och öppningen 9. Tanken 6 kan också mottaga fluid som kommer ut ur cellen 1 genom öppningen 9.

En tank 8 kan rymma (eller mottaga) fluid från öppningen 10.

Det finns också en katalysator på katoden 3 (eller eventuellt flera olika katalysator- substanser). Katalysatom på katodsidan 3 kan innefatta antrakinon eller kinon och kan vara inbäddad i fenolharts.

Det skall förstås att de nämnda katalysatorerna kan vara belägna på ytan av membranet 4.

Då cellen 1 används för att generera elektricitet, matas metanol (metylalkohol) till anodsidan 2, genom öppningen 9. På samma gång matas syre eller en syrebärare till katodsidan 3, genom öppningen 11. Därigenom uppkommer det en reaktion som genererar en elektrisk ström genom kretsen 13. Syrebäraren är våteperoxid och föreligger i vätskefonn. På anodsidan genereras det koldioxid (C02) som biprodukt, vilken går ut genom öppningen 10 och (valfritt) kan lagras i en lagringstank 8 för koldioxid. Vatten (H20) genereras som biprodukt på katodsidan och lämnar bränslecellen 1 genom öppningen 12. 10 15 20 25 30 35 530 745 Metanolen som tillförs till anodsidan kan vara löst i vatten. Metanolen kan ha en koncentration av 5-95 %, företrädesvis 20-80 % och än mer föredraget 40-70 %.

Metanolen kan t.ex. ha en koncentration av 64 %. Om det används väteperoxid på katodsidan så kan även väteperoxiden vara löst i vatten. Väteperoxiden kan lämpligen vara löst i vatten till en koncentration av 3-10 %.

Såsom indikeras i F ig. 1 kan metanol tillföras till anoden 2 genom en ledning 5 som går runt åtminstone en del av bränslecellen 1. Då fluiden (t.ex. metanol) strömmar genom ledningen 5 kan fluiden i ledningen 5 därigenom kyla bränslecellen 1 genom att absorbera värmeenergi som utvecklas i processen som äger rum i bränslecellen. Detta ger den ytterligare fördelen att metanol som når anoden för att delta i reaktionen är varmare, vilket gör processen mera effektiv.

Processen som indikeras i Fig. 1 kan köras under en förlängd period för att generera en uteffekt som är mindre än 20 % av den maximalt möjliga uteffekten, varigenom temperaturen i bränslecellen 1 bibehålls över en förutbestämd nivå.

Med hänvisning till Fig. 2 kan metoden dessutom innefatta att vända processen och mata koldioxid till anodsidan 2, mata vatten till katodsidan 3, tillsätta en elektrisk ström och därigenom orsaka en reaktion som i ett slutligt steg genererar metanol. Såsom schematiskt indikeras i Fig. 2 matas koldioxid till bränslecellen l (eventuellt från tanken 8), genom öppningen 10, och en elektrisk ström tillsätts till processen genom kretsen 13. Metanol genereras som produkt av denna process. I Fig. 2 indikeras det schematiskt hur metanol lämnar bränslecellen 1 genom öppningen 9. Metanol som genereras i en sådan omvänd process kan lagras i tanken 6 och användas senare för åter igen producera elektricitet. Det skall noteras att i processen enligt Fig. 2 så konsumeras det elektrisk energi och inte genereras.

Den elektricitet som erfordras för processen i Fig. 2 kan komma från vilken som helst extern källa. Med hänvisning till Fig. 3 indikeras det hur elektriciteten kan komma från en vindkraftsanläggning 7.

Under perioder då behovet av elektricitet är högt kan bränslecellen 1 användas för att generera elektricitet. Då behovet av elektricitet är lågt kan bränslecellen användas för att producera metanol som senare kan användas för att producera elektricitet, då behovet av elektricitet är högt. Behovet av elektricitet kan t.ex. övervakas genom observation av 10 15 20 25 530 745 fluktuationer i elpriset. Detta kan t.ex. göras av en dator 14 (eller annan kontroll- eller övervakningsanordning) som kontrollerar bränslecellen 1 och fastställer huruvida bränslecellen 1 skall köras för att producera elektricitet eller metanol.

I bränsleceller enligt känd teknik, för metanol, innefattar den katalysator som används på anodsidan (där metanolen tillförs) typiskt platina (Pt). Platina är en mycket lärnplig katalysator i bränsleceller. Olyekligtvis är priset för platina mycket högt, vilket gör det svårt att tillverka bränsleceller till konkurrenskraftigt pris. Det har nu befunnits att Te kan fungera lika väl som Pt (eller nästan lika väl som Pt) i bränsleceller. Priset för Te är idag sådant att Te kan användas för att tillverka bränsleceller som är mindre kostsamma än bränsleceller som använder Pt. Användningen av tellur i en bränslecell kan således resultera i billigare bränsleceller och billigare elektricitet. Vidare har det befunnits att i bränslecellsprocesser i vilka det används metanol som bränsle så utgör koloxid en av processens biprodukter. Koloxid har en tendens att förstöra platinakatalysatom. Tellur har befunnits vara mera motståndskraftigt mot koloxid. Därför kan användningen av Te resultera i längre livslängd för bränslecellerna l.

Om det används bränsle i vätskeform så blir det enklare att undvika problem med överhettning. Av denna anledning är det föredraget att använda vätskeformigt bränsle.

Vätskeforrniga bränslen betyder också att bränsleledningarna kan göras smalare eftersom samma massa upptar mindre utrymme än motsvarande massa i gasform.

På katodsidan bör silver undvikas eftersom silver inte bör komma i kontakt med väteperoxid.

Användningen av väteperoxid ger fördelen att det kan tillföras mycket syre i en kompakt form. Detta betyder att det erfordras mindre volymer.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 530 745 PATENTKRAV 1) 2) 3) 4) 5) 6) Metod att köra en bränslecell (1) med en anod (2) och en katod (3), varvid anoden (2) har en katalysator och varvid metoden innefattar stegen att: a) mata metanol till anodsidan (2) och b) mata en syrebärare till katodsidan (3), så att det uppkommer en reaktion som genererar en elektrisk ström, k ä n n e t e c k n a d a v att syrebåraren är väteperoxíd i vätskeforrn och att katalysatorn innefattar Te, företrädesvis 5-20 vikt-% Te. Metod enligt krav 1, varvid reaktionen genererar koldioxid och koldioxiden lagras. Metod enligt krav l, varvid metoden dessutom innefattar att vända processen och mata koldioxid till anodsidan (2), mata vatten till katodsidan (3), tillsätta en elektrisk ström och därigenom orsaka en reaktion som i ett slutligt steg genererar metanol. Metod enligt krav 1, varvid metoden dessutom innefattar observation av en variabel som indikerar ett behov av elektricitet och körande av processen för att generera elektricitet då den observerade variabeln överskrider ett förutbestämt värde och vända på processen om den observerade variabeln inte överskrider det förutbestämda värdet. Metod enligt krav l, varvid elektrisk energi som genereras i processen används för att värma vätskeformig metanol innan metanolen matas till anodsidan (2). Metod enligt krav 1, varvid processen körs under en förlängd period för att generera en uteffekt som är mindre än 20 % av den maximalt möjliga uteffekten, varigenom temperaturen i bränslecellen (1) bibehålls över en förutbestämd nivå.