SE530745C2 - Method of running a fuel cell wherein the anode has a catalyst comprising tellurium - 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 %. Oxygen can be supplied in pure form to the cathode side, but it is also possible to supply oxygen to the process by feeding an oxygen carrier to the fuel cell. The carrier is liquid peroxide in liquid form. The process may conveniently use hydrogen peroxide which is dissolved in water and has a concentration of 3-10%. The process can e.g. use hydrogen peroxide dissolved in water at a concentration of 5%. The methanol can also be dissolved in water. If methanol dissolved in water is used, the methanol may have a concentration of 5-95%, preferably 20-80% and even more preferably 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.Electrical energy generated in the process can be used to heat liquid methanol before the methanol is fed to the anode side. The methanol is then used to cool the fuel sludge. When methanol is used as a coolant, the temperature of the methanol will increase. As the methanol used in the process enters the fuel cell at a higher temperature, this will make the process more efficient. The use of methanol as a coolant will thus provide a double advantage.

För att processen ska arbeta jämnt och effektivt bör temperaturen inte vara alltför låg.For the process to work evenly and efficiently, the temperature should not be too low.

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 %.This can be a problem if the process has to be started from a low temperature. To counteract this possible problem, the process can be run with reduced production, simply to maintain the fuel cell at a minimum temperature (it should be remembered that the process generates heat). The process can Lex. run for an extended period to generate an output power that is less than 20% of the maximum possible output power, whereby the temperature in the fuel cell is maintained above a predetermined level. Alternatively, the process can be run to generate an output power that is not higher than 10% of the maximum output power or perhaps not higher than 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'.During the reaction that takes place in the fuel cell, carbon dioxide is generated. In principle, the reaction which takes place in the fuel cell can be described in terms of a process in which methanol is converted to carbon dioxide, water and electric current or CH 3 OH-> CO2 + H 2 O + 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.According to one embodiment of the invention, the carbon dioxide thus obtained can be stored so that it can be used later in a reverse process in which carbon dioxide is used to produce methanol in the fuel cell (CO2 + H 2 O + e '-> CH 3 OH). Such a reverse process may thus comprise feeding carbon dioxide to the anode side, feeding water to the cathode side, adding an electric current and thereby giving a reaction which in a final step generates methanol. Such a reverse process can be used in connection with such power plants where the supply of energy is not constant. Lex can do this. be the case for 10 15 20 25 30 35 530 745 wind power plants for which it is usually not possible to predict when the wind will blow and to what extent. At times when a wind is blowing and more electricity is generated than is needed at the moment, the reverse process can be used to produce methanol that is stored, e.g. in a tank. Stored methanol can be used later to generate electricity in a fuel cell, as there is no wind energy available.

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.The method further includes observing a variable indicating a need for electricity and running the process to generate electricity when the observed variable exceeds a predetermined value and reversing the process if the observed variable does not exceed the predetermined value. The need for electrical power fi; vary over time. It is e.g. often the case that the need for electricity is lower during the night and higher during the day. In countries with cold climates, the need for electricity is often high in winter and slightly lower in summer. In some other countries with a warmer climate, it may be that a lot of energy is needed during the summer to operate air conditioning equipment, while the need for electricity may be lower during the winter. The process according to the present invention can be run in two different directions. In one direction, the process can be used to generate electricity. In the opposite direction, electricity is used to produce methanol. During periods when the need for electricity is low and electric power is available, e.g. electric power from a wind farm, it can be advantageous to run the process reverse to produce methanol. In this way, electrical energy can be stored in the form of methanol. Different methods can be used to determine the need for electricity. If e.g. If the invention is used within a limited area, the need for energy can be determined by assessment by a human operator or by means of a measuring device. On a larger scale, monitoring the price of electricity can be an easy way to determine the need for electricity. As the price of electricity is high, this indicates that the need for electricity is high. Conversely, if the price of electricity is low, this indicates that the need for electric power is low.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Fig. 1 är en schematisk representation av en bränslecell enligt uppfinningen, i där bränslecellen körs för att generera elektricitet.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell according to the invention, in which the fuel cell is run to generate electricity.

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.Fig. 2 is a schematic representation of a fuel cell similar to the fuel cell of Fig. 1, but in which the process is caused to run in the opposite direction to produce methanol. Fig. 3 is a schematic illustration of how the fuel cell can be connected to a crane installation, e.g. a wind power plant.

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).DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION None With reference to Fig. 1, the inventive method utilizes a fuel cell 1 which is schematically indicated in the clock. The fuel cell 1 has an anode 2 and a cathode 3. The anode 2 is separated from the cathode 3 by means of a membrane 4 which acts as an electrolyte and which may be formed of a polymeric material. Anode 2 has a catalyst comprising Te (tellurium). Of the catalyst substance or substances present in the anode, Te preferably represents 5-20% by weight of the catalyst material or 5-30% Te. Other catalyst substances may also be present, e.g. 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).Silver can make up 40% by weight or more. The figure schematically indicates four openings 9, 10, 11, 12. Through these openings fl uid can enter or leave the fuel cell 1. Other catalyst substances on the anode side may include tin (Sn), gold (Au), titanium (Ti), titanium dioxide , vanadium (V) and tungsten (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.A tank 6 may contain a fl uid supplied to the anode side of the fuel cell, through the conduit 5 and the opening 9. The tank 6 may also receive fl uid coming out of the cell 1 through the opening 9.

En tank 8 kan rymma (eller mottaga) fluid från öppningen 10.A tank 8 can accommodate (or receive) fl uid from the opening 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.There is also a catalyst on the cathode 3 (or possibly your various catalyst substances). The cathode side 3 catalyst may comprise anthraquinone or quinone and may be embedded in phenolic resin.

Det skall förstås att de nämnda katalysatorerna kan vara belägna på ytan av membranet 4.It is to be understood that the said catalysts may be located on the surface of the membrane 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 %.When the cell 1 is used to generate electricity, methanol (methyl alcohol) is fed to the anode side 2, through the opening 9. At the same time, oxygen or an oxygen carrier is fed to the cathode side 3, through the opening 11. Thereby a reaction is generated which generates an electric current through the circuit. 13. The oxygen carrier is hydrogen peroxide and is present in liquid form. On the anode side, carbon dioxide (CO 2) is generated as a by-product, which exits through the opening 10 and (optionally) can be stored in a storage tank 8 for carbon dioxide. Water (H 2 O) is generated as a by-product on the cathode side and leaves the fuel cell 1 through the opening 12. The methanol supplied to the anode side may be dissolved in water. The methanol may have a concentration of 5-95%, preferably 20-80% and even more preferably 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 %.The methanol can e.g. have a concentration of 64%. If hydrogen peroxide is used on the cathode side, the hydrogen peroxide can also be dissolved in water. The hydrogen peroxide may conveniently be dissolved in water to a concentration of 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.As indicated in Figs. 1, methanol can be supplied to the anode 2 through a conduit 5 which passes around at least a part of the fuel cell 1. When fl the fluid (eg methanol) flows through the conduit 5, the iden uide in the conduit 5 can thereby cool the fuel cell 1 by absorbing heat energy generated in the process that takes place in the fuel cell. This gives the additional advantage that methanol that reaches the anode to participate in the reaction is hotter, which makes the process more efficient.

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.The process indicated in Fig. 1 can be run for an extended period to generate an output power that is less than 20% of the maximum possible output power, whereby the temperature in the fuel cell 1 is maintained above a predetermined level.

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.Referring to Fig. 2, the method may further comprise reversing the process and feeding carbon dioxide to the anode side 2, feeding water to the cathode side 3, adding an electric current and thereby causing a reaction which in a final step generates methanol. As schematically indicated in Fig. 2, carbon dioxide is fed to the fuel cell 1 (possibly from the tank 8), through the opening 10, and an electric current is added to the process through the circuit 13. Methanol is generated as a product of this process. Fig. 2 schematically indicates how methanol leaves the fuel cell 1 through the opening 9. Methanol generated in such a reverse process can be stored in the tank 6 and used later to re-produce electricity. It should be noted that in the process according to Fig. 2, electrical energy is consumed and not generated.

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.The electricity required for the process of Fig. 2 may come from any external source. With reference to Fig. 3, it is indicated how the electricity can come from a wind power plant 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.During periods when the need for electricity is high, the fuel cell 1 can be used to generate electricity. When the need for electricity is low, the fuel cell can be used to produce methanol which can later be used to produce electricity, when the need for electricity is high. The need for electricity can e.g. monitored by observing 10 15 20 25 530 745 fl reductions in the electricity price. This can e.g. made by a computer 14 (or other control or monitoring device) which checks the fuel cell 1 and determines whether the fuel cell 1 should be run to produce electricity or methanol.

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.In prior art fuel cells, for methanol, the catalyst used on the anode side (where the methanol is supplied) typically comprises platinum (Pt). Platinum is a highly teachable catalyst in fuel cells. Unfortunately, the price of platinum is very high, which makes it difficult to manufacture fuel cells at a competitive price. It has now been found that Tea can function as well as Pt (or almost as well as Pt) in fuel cells. The price for Tea today is such that Tea can be used to manufacture fuel cells that are less expensive than fuel cells that use Pt. The use of tellurium in a fuel cell can thus result in cheaper fuel cells and cheaper electricity. Furthermore, it has been found that in fuel cell processes in which methanol is used as fuel, carbon monoxide constitutes one of the by-products of the process. Carbon monoxide tends to destroy the platinum catalyst. Tellurium has been found to be more resistant to carbon monoxide. Therefore, the use of Te can result in longer life of the fuel cells 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.If liquid fuel is used, it will be easier to avoid problems with overheating. For this reason, it is preferred to use liquid fuel.

Vätskeforrniga bränslen betyder också att bränsleledningarna kan göras smalare eftersom samma massa upptar mindre utrymme än motsvarande massa i gasform.Liquid fuels also mean that the fuel lines can be made narrower because the same mass takes up less space than the corresponding mass in gaseous form.

På katodsidan bör silver undvikas eftersom silver inte bör komma i kontakt med väteperoxid.On the cathode side, silver should be avoided as silver should not come into contact with hydrogen peroxide.

Användningen av väteperoxid ger fördelen att det kan tillföras mycket syre i en kompakt form. Detta betyder att det erfordras mindre volymer.The use of hydrogen peroxide has the advantage that a lot of oxygen can be supplied in a compact form. This means that smaller volumes are required.

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.A method of running a fuel cell (1) with an anode (2) and a cathode (3), the anode (2) having a catalyst and wherein the method comprises the steps of: a) feeding methanol to the anode side (2) and b) feeding an oxygen carrier to the cathode side (3), so that a reaction occurs which generates an electric current, characterized in that the oxygen carrier is hydrogen peroxide in the liquid form and that the catalyst comprises Te, preferably 5-20% by weight of Te. The method of claim 1, wherein the reaction generates carbon dioxide and the carbon dioxide is stored. A method according to claim 1, wherein the method further comprises reversing the process and feeding carbon dioxide to the anode side (2), feeding water to the cathode side (3), adding an electric current and thereby causing a reaction which in a final step generates methanol. The method of claim 1, wherein the method further comprises observing a variable indicating a need for electricity and running the process to generate electricity when the observed variable exceeds a predetermined value and reversing the process if the observed variable does not exceed the predetermined value. Method according to claim 1, wherein electrical energy generated in the process is used to heat liquid methanol before the methanol is fed to the anode side (2). Method according to claim 1, wherein the process is run for an extended period to generate an output power that is less than 20% of the maximum possible output power, whereby the temperature in the fuel cell (1) is maintained above a predetermined level.