WO2023155946A1 - Method for operating a fuel-cell arrangement, and fuel-cell arrangement - Google Patents

Method for operating a fuel-cell arrangement, and fuel-cell arrangement Download PDF

Info

Publication number
WO2023155946A1
WO2023155946A1 PCT/DE2023/100004 DE2023100004W WO2023155946A1 WO 2023155946 A1 WO2023155946 A1 WO 2023155946A1 DE 2023100004 W DE2023100004 W DE 2023100004W WO 2023155946 A1 WO2023155946 A1 WO 2023155946A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
organic energy
energy carrier
operating temperature
store
Prior art date
Application number
PCT/DE2023/100004
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Florian Speck
Florian Doerrfuss
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023100157.4A external-priority patent/DE102023100157A1/en
Application filed by Schaeffler Technologies AG & Co. KG filed Critical Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Publication of WO2023155946A1 publication Critical patent/WO2023155946A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel cell arrangement for generating electrical energy from an organic energy carrier, comprising a first store for storing the organic energy carrier and a fuel cell which has a first input connected to the first store and a first output.
  • the fuel cell also has a second input through which an electrochemically reducible fluid, in particular air, can be fed to the fuel cell, with the energy source being oxidized by the fluid in the fuel cell to generate electrical energy, so that an oxidation product of the organic energy source and unreacted organic energy carriers are routed through the first output and are subsequently partly routed back to the first input.
  • the invention also relates to a fuel cell arrangement suitable for carrying out the method.
  • Electrical machines are used in many areas of technology, increasingly also in the motor vehicle sector as electric motors for driving motor vehicles.
  • the provision of electrical energy for electric motors can take place in various ways, in the area of mobility, for example, by means of accumulators or fuel cells that are carried along, in the latter case in connection with an adequate supply of fuel.
  • Fuel cells and their electrochemical functioning are well known in different variants.
  • the basic principle of a fuel cell is to supply hydrogen to one electrode of the fuel cell and oxygen to the other electrode.
  • the hydrogen molecules are split at the electrode and give off electrons to the electrode, which flow via a conductor to the other electrode.
  • the resulting protons migrate through a membrane to the other electrode, where they form water together with the oxygen and the electrons.
  • a current flows in the conductor between the electrodes.
  • Oxygen and hydrogen can be stored in pure form and fed to the fuel cell. However, it is also possible to add oxygen from the ambient air use. Hydrogen can be obtained from compounds such as methane or ammonia by reforming. The respective connection is split in the process. Unless pure oxygen and pure hydrogen are used, by-products are produced which have to be removed from the fuel cell and disposed of.
  • Direct alcohol fuel cells have become known, which, for example, mainly use methanol, a primary alcohol, as fuel.
  • methanol a primary alcohol
  • the oxidation of the organic fuel methanol at the anode of such fuel cells leads to the development of CO2, which is undesirable in terms of climate policy, among other things.
  • liquid isopropanol is converted into a gaseous state in an evaporator.
  • the isopropanol vapor is mixed with an inert carrier gas (nitrogen), which has been humidified beforehand, and fed into the fuel cell under temperature control (85 °C).
  • the anode side Educt mixture consists of x nitrogen, y water and z isopropanol. The composition of the parameters x, y and z can be adjusted to influence the performance of the fuel cell.
  • DIFC direct isopropanol fuel cells
  • US 2006/0 159 965 A1 describes a fuel cell system comprising a fuel cell and a fuel tank for holding isopropanol.
  • the isopropanol is partly converted into carbon dioxide in the fuel cell.
  • EP 3 157 086 A1 discloses a direct isopropanol fuel cell operated at ambient temperature, which uses an isopropanol-water mixture as fuel.
  • the mixture is provided in a fuel store.
  • Unused fuel containing water, isopropanol and acetone is returned from the fuel cell outlet to the fuel store and reused.
  • the fuel accumulator is connected to the environment via an opening for pressure equalization.
  • This object is achieved by a method for operating a fuel cell arrangement with generation of electrical energy from an organic energy carrier, a mixture of water and isopropanol being used as the organic energy carrier, with a first store for storing the organic energy carrier and a fuel cell being provided which have a having a first input connected to the first store, and a first output, and the fuel cell also has a second input through which an electrochemically reducible fluid, in particular air, is supplied to the fuel cell, the organic energy carrier being generated by the fluid in the fuel cell electrical energy is oxidized, so that an oxidation product of the organic energy carrier in the form of acetone and unreacted organic energy carriers are passed through the first outlet, the isopropanol having a boiling point which is above a setpoint operating temperature of the fuel cell, and the acetone having a boiling point has, which is below the target operating temperature of the fuel cell, so that the acetone is present in gaseous form at the first outlet of the fuel cell and unreacted organic energy carrier is present as a liquid
  • This object is also achieved by a method for operating a fuel cell arrangement while generating electrical energy from an organic energy carrier, a mixture of water and butan-2-ol (C4H10O) being used as the organic energy carrier, with a first store for storing the organic energy carrier and a fuel cell can be provided which has a first input connected to the first store and a first output, and the fuel cell also has a second input through which an electrochemically reducible fluid, in particular air, is supplied to the fuel cell, the organic energy carrier is oxidized by the fluid in the fuel cell to generate electrical energy, so that an oxidation product of the organic energy carrier in the form of butan-2-one (C4H8O) and unreacted organic energy carriers are passed through the first outlet, the butan-2-ol has a boiling temperature that is above a target operating temperature of the fuel cell, and the butan-2-one has a boiling temperature that is below the target operating temperature of the fuel cell, so that the butan-2-one is present in gaseous form at the first outlet of the
  • oxidation product can be separated from the product mixture of the fuel cell in a much more favorable manner in terms of energy, for example by means of a gas-liquid separator.
  • a fuel cell arrangement for carrying out the method according to the invention comprising the first store, the fuel cell, the return line from the first outlet of the fuel cell back to the first store or to the first inlet of the fuel cell, the separator and the second store.
  • the fuel cell arrangement preferably also comprises a heat exchanger arranged between the separator and the second store.
  • the fuel cell arrangement for generating electrical energy from an organic energy carrier accordingly comprises a store for storing the organic energy carrier and a fuel cell which has a first input connected to the store and a first output.
  • the fuel cell also has a second inlet through which an electrochemically reducible fluid, in particular air, can be fed to the fuel cell.
  • the organic energy carrier is oxidized by the fluid in the fuel cell to generate electrical energy, so that an oxidation product of the organic energy carrier and unreacted organic energy carrier can be conducted through the first outlet.
  • Unreacted organic energy carriers comprising water, isopropanol and acetone or alternatively water, butan-2-ol and butan-2-one can then be routed via the return line in the direction of the first reservoir or the first inlet.
  • the fuel cell is therefore a direct alcohol fuel cell, the intended target operating temperature of which is lower than 150°C (at normal pressure), preferably in the range from 56 to 82°C when using isopropanol in the organic energy carrier or in the range from 80 to 99°C C when using butan-2-ol in the organic energy source.
  • a liquid y-water/z-isopropanol mixture is introduced into the fuel cell as an organic energy source.
  • Isopropanol is a secondary alcohol and has a boiling point of 82°C.
  • the liquid y-water/z-isopropanol mixture is fed to the fuel cell in the liquid state at a predefined temperature, for example around 75°C.
  • the waste heat from the fuel cell can be used to control the temperature of the liquid y-water/z-isopropanol mixture.
  • a separate heater can also be provided in order to heat the liquid y-water/z-isopropanol mixture to a predefined temperature.
  • the gaseous oxidation product in the form of a-acetone can, for example, be separated in a temperature-controlled gas-liquid separator and the still heated, unreacted organic energy carrier can be directly recirculated in the form of a y-water/z-isopropanol mixture with a reduced isopropanol content, without the need for thermal energy get lost.
  • the separated gaseous oxidation product a-acetone is preferably condensed at ambient temperature and collected and stored in the second store.
  • a butan-2-ol is used instead of isopropanol.
  • the use of the non-primary alcohol butan-2-ol (boiling point of 99°C) leads to an oxidation product in the form of butan-2-one (boiling point of 80°C).
  • Mixtures of isopropanol and butan-2-one can also be used here. Due to the different physical properties, the target operating temperature of the fuel cell and the separability of the oxidation products can be optimized. The advantageous effect of these configurations is based on the fact that an uncontrolled escape of oxidation product into the environment is prevented. It is also possible to feed the stored oxidation product to stationary recycling, for example during a refueling process.
  • the cathode-side air supply can take place via a filter, a compressor, a mass flow controller and a humidifier in a manner similar to that in a conventional hydrogen fuel cell.
  • the separator for the oxidation product is preferably connected to the second reservoir via a heat exchanger, in which the oxidation product is converted into a liquid state of aggregation.
  • the effect can be achieved that the fuel cell can be adjusted more quickly to a desired setpoint operating temperature, with the storage of a separate energy transfer fluid, such as cooling/heating oil, being dispensed with.
  • the organic energy carrier can be routed from the first store in a separate heated circuit and used to heat the fuel cell, i.e. independently of the supply of the anode side with organic energy carrier.
  • the method can also be further developed in such a way that the fuel cell has a circuit inlet and a circuit outlet for connecting the fuel cell to the circuit, with the organic energy carrier being fed to the circuit inlet at a temperature below the target operating temperature of the fuel cell, in particular when the actual - The operating temperature of the fuel cell has exceeded the target operating temperature.
  • the advantage of this design is that it also cools the fuel cell no separate cooling fluid, such as cooling water or cooling oil, is required, since the organic energy carrier also takes over this function.
  • the mixing ratio of water to isopropanol or water to butan-2-one can also be set to between 20:80 and 80:20% by volume, which is particularly suitable for the operation of the fuel cell arrangement turned out.
  • the electrochemically reducible fluid is fed to the second inlet of the fuel cell without passing through a humidifier, which also contributes to a simplified procedural design of the fuel cell arrangement.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell arrangement in a schematic block diagram and a method for its operation
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a fuel cell arrangement in a schematic block diagram and a method for its operation
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a fuel cell arrangement in a schematic block diagram and a method for its operation
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of a fuel cell arrangement in a schematic block diagram and a method for its operation.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell arrangement 1 for generating electrical energy from an organic energy carrier 2 and explains a method for its operation.
  • the fuel cell arrangement 1 includes a first store 3 for storing the organic energy source 2 in the form of a mixture of water (H2O) and isopropanol (IPA).
  • the fuel cell arrangement 1 also includes a fuel cell 4, which has a first input 5 on the anode side, which is connected to the first store 3, and a first output 6a on the anode side.
  • the line for supplying organic energy carrier 2 to the first input 5 is optionally heated.
  • the fuel cell 4 has a second inlet 7 on the cathode side, through which an electrochemically reducible fluid 8, in the form of air in the exemplary embodiments shown, is supplied to the fuel cell 4.
  • an electrochemically reducible fluid 8 in the form of air in the exemplary embodiments shown
  • the air is fed to the second input 7 via a filter (not shown), a compressor (not specified) and a humidifier 11 .
  • the organic energy carrier 2 is oxidized by the fluid 8 in the fuel cell 4, generating electrical energy, so that an oxidation product 9 in the form of acetone and unreacted organic energy carrier 2' is passed through the first outlet 6a into the return line 17 and via a separator 10 become.
  • On the cathode side of the fuel cell 4 there is also a second outlet 6b for products from the cathode side, in particular water.
  • the isopropanol has a boiling point that is above a target operating temperature of the fuel cell 4, 75° C. in this case.
  • the oxidation product 9 in the form of acetone has a boiling temperature that is lower than the target operating temperature of the fuel cell 4, so that Oxidation product 9 is present in gaseous form at the first output 6a of the fuel cell 4 and unreacted isopropanol and water are present as a liquid.
  • the gaseous oxidation product 9 is separated from the product stream via a separator 10 from the liquid, unreacted organic energy source 2'.
  • the oxidation product 9 reaches a second reservoir 12 in liquid form via a heat exchanger 18, which cools the gaseous acetone.
  • the separated mixture of water with a reduced proportion of isopropanol is then returned as unreacted organic energy carrier 2' via the return line 17 to the fuel cell 4 returned. This is done here via a corresponding connection of the return line 17 between the first reservoir 3 and the suction side of a pump, which is not specified in detail.
  • the separator 10 is connected to the second store 12, in which the separated oxidation product 9, preferably in a liquid state of aggregation, is stored.
  • Figure 4 shows an embodiment of the fuel cell arrangement 1, in which the temperature of the product stream can be used to heat the organic energy source in front of the input 5 of the fuel cell 4 to a temperature between the ambient temperature and the target operating temperature of the fuel cell 4.
  • the same reference symbols as in FIGS. 1 and 2 denote the same elements.
  • the organic energy source 2 is first fed via a pump (not specified) and via a further heat exchanger 19 in the circuit 13a to the circuit inlet 14 of the fuel cell 4, via which the waste heat of the product stream from the first outlet 6a of the fuel cell 4 is transferred to the Organic energy source 2 is transferred in the dashed cycle 13a.
  • the dashed circuit 13a can also flow through the heat exchanger 18 and thus remove even more thermal energy from the condensation of the product acetone.
  • the fuel cell 4 has a circuit inlet 14 and a circuit outlet 15 for connecting the fuel cell 4 to the circuit 13a. It goes without saying that the circuit 13a can be used for cooling as well as for heating up the fuel cell 4 .
  • the organic energy source 2 is thus preheated via the additional heat exchanger 19 or a heater (see FIG. 3), not shown here, fed into the fuel cell 4 and thus supports the adjustment of the fuel cell 4 to a predefined target operating temperature.
  • a heater can also be provided in the circuit 13a between the first store 3 and the circuit inlet 14, by means of which the temperature of the organic energy carrier 2 is adjusted.
  • the heated organic energy carrier 2 is discharged from the fuel cell 4 via the circuit outlet 15 and returned to the first store 3 . It is also possible to supply the heated organic energy source 2 directly to the first input 5 of the fuel cell 4 .
  • the heated organic energy source 2 mixes with the organic energy source 2 stored there and is fed to the first input 5 of the fuel cell 4 via a pump.
  • the organic energy carrier 2 is also oxidized here by the fluid 8 in the fuel cell 4 to generate electrical energy, so that an oxidation product 9 in the form of acetone and unreacted organic energy carrier 2 'through the first outlet 6a in the return line 17 and via the separator 10 to be directed.
  • the gaseous oxidation product 9 from this product stream is separated from the liquid, unreacted organic energy source 2' via the separator 10.
  • the oxidation product 9 reaches the second storage tank 12 in liquid form via the heat exchanger 18, which cools the gaseous acetone.
  • FIG. 3 shows an alternative configuration of the fuel cell arrangement 1, in which the organic energy source 2 can be fed to the circuit inlet 14 at a temperature below the intended operating temperature of the fuel cell 4, in particular when the actual operating temperature of the fuel cell 4 has exceeded the target operating temperature.
  • the organic energy source 2 is used directly from the first store 3 to cool the fuel cell 4 that has already been heated and is conducted in the circuit 13 , which runs independently of the anode and cathode compartment of the fuel cell 4 .
  • the relatively cooler organic energy carrier 2 cools the fuel cell 4 .
  • a heat exchanger to be arranged in the circuit 13 for further cooling of the organic energy carrier 2 .
  • an optionally usable heater 16 which is arranged in the circuit 13 between the first storage device 3 and the circuit inlet 14, for example to quickly heat the fuel cell 4 to a desired target operating temperature after a cold start set.
  • FIGS. 1-4 show that the electrochemically reducible fluid 8 runs through a humidifier 11 .
  • the electrochemically reducible fluid 8 it would also be possible for the electrochemically reducible fluid 8 to be present at the second input 7 of the fuel cell 4 without passing through a humidifier 11 .

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel-cell arrangement (1) for generating electrical energy from an organic energy source (2), comprising a first store (3), for storing the organic energy source (2), and a fuel cell (4), which has a first inlet (5), connected to the first store (3), and a first outlet (6a). The fuel cell (4) also has a second inlet (7), through which an electrochemically reducible fluid (8), in particular air, can be fed to the fuel cell (4), wherein the organic energy source (2) is oxidized by the fluid (8) in the fuel cell (4) while generating electrical energy, and so an oxidation product (9) of the organic energy source (2) and also unconverted organic energy source (2') can be directed through the first outlet (6a) and subsequently partially returned to the first inlet (5). The organic energy source (2) is formed either by a mixture of water and isopropanol or from water and butan-2-ol, wherein the isopropanol or the butan-2-ol has a boiling temperature that lies above a target operating temperature of the fuel cell (4), and the oxidation product (9) has a boiling temperature that lies below the target operating temperature of the fuel cell (4), and so the oxidation product (9) is in a gaseous form at the first outlet (6a) of the battery cell (4) and can be separated from water and isopropanol or butan-2-ol in liquid form.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnunq und Brennstoffzellenanordnunq Method for operating a fuel cell arrangement and fuel cell arrangement
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. The present invention relates to a method for operating a fuel cell arrangement for generating electrical energy from an organic energy carrier, comprising a first store for storing the organic energy carrier and a fuel cell which has a first input connected to the first store and a first output. The fuel cell also has a second input through which an electrochemically reducible fluid, in particular air, can be fed to the fuel cell, with the energy source being oxidized by the fluid in the fuel cell to generate electrical energy, so that an oxidation product of the organic energy source and unreacted organic energy carriers are routed through the first output and are subsequently partly routed back to the first input. The invention also relates to a fuel cell arrangement suitable for carrying out the method.
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. Electrical machines are used in many areas of technology, increasingly also in the motor vehicle sector as electric motors for driving motor vehicles. The provision of electrical energy for electric motors can take place in various ways, in the area of mobility, for example, by means of accumulators or fuel cells that are carried along, in the latter case in connection with an adequate supply of fuel. Fuel cells and their electrochemical functioning are well known in different variants. The basic principle of a fuel cell is to supply hydrogen to one electrode of the fuel cell and oxygen to the other electrode. The hydrogen molecules are split at the electrode and give off electrons to the electrode, which flow via a conductor to the other electrode. The resulting protons migrate through a membrane to the other electrode, where they form water together with the oxygen and the electrons. Ultimately, a current flows in the conductor between the electrodes. Oxygen and hydrogen can be stored in pure form and fed to the fuel cell. However, it is also possible to add oxygen from the ambient air use. Hydrogen can be obtained from compounds such as methane or ammonia by reforming. The respective connection is split in the process. Unless pure oxygen and pure hydrogen are used, by-products are produced which have to be removed from the fuel cell and disposed of.
Da Wasserstoff bei Normalbedingungen (20°C, 1atm) eine vergleichsweise geringe Energiedichte aufweist, rücken alternative Energieträger und Treibstoffe für Brennstoffzellen zunehmend in den Fokus der Entwicklung. Since hydrogen has a comparatively low energy density under normal conditions (20°C, 1 atm), alternative energy carriers and fuels for fuel cells are increasingly becoming the focus of development.
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. In this context are already commercially available so-called. "Direct alcohol fuel cells" have become known, which, for example, mainly use methanol, a primary alcohol, as fuel. However, the oxidation of the organic fuel methanol at the anode of such fuel cells leads to the development of CO2, which is undesirable in terms of climate policy, among other things.
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 ström liefernde Oxidation des Alkohols zu einem Keton führt. For this reason, secondary alcohols as fuels for fuel cells have increasingly become the focus of developers. The great advantage of using secondary alcohols in "direct alcohol fuel cells" in contrast to primary alcohols is that the oxidation of the alcohol, which supplies the current, leads to a ketone.
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. In contrast to the "direct methanol fuel cell", local emissions of CO2 can be avoided. In contrast to the classic hydrogen fuel cell, which also produces no local CO2 emissions, the liquid secondary alcohol fuel is easy and relatively safe to store and refuel.
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. Thus, fuel cell systems have already been developed which can be operated with the secondary alcohol isopropanol as fuel, as is described, for example, in DE 10 2017 209 891 A1. Here, liquid isopropanol is converted into a gaseous state in an evaporator. In order to achieve a desired flow rate, the isopropanol vapor is mixed with an inert carrier gas (nitrogen), which has been humidified beforehand, and fed into the fuel cell under temperature control (85 °C). The anode side Educt mixture consists of x nitrogen, y water and z isopropanol. The composition of the parameters x, y and z can be adjusted to influence the performance of the fuel cell.
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). During the oxidation of isopropanol at the fuel cell anode, acetone is also formed, which mixes with the educts as a product. This creates a concentration gradient from z to (z-a) along the flow field, where a is the proportion of converted isopropanol to acetone. The reduction of oxygen on the cathode side in such "direct alcohol fuel cells" generally corresponds essentially to the processes in a classic hydrogen fuel cell with polymer electrolyte membranes (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. With current "direct isopropanol fuel cells" (DIFC) prototypes, a maximum isopropanol conversion of 40% is currently achieved at the outlet of the fuel cell. This means that the product mixture on the anode side now consists of x nitrogen, y water, z-a isopropanol and a acetone.
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. US 2006/0 159 965 A1 describes a fuel cell system comprising a fuel cell and a fuel tank for holding isopropanol. The isopropanol is partly converted into carbon dioxide in the fuel cell.
Die EP 3 157 086 A1 offenbart eine bei Umgebungstemperatur betriebene Direkt- Isopropanol-Brennstoffzelle, welche als Brennstoff ein Isopropanol-Wasser- Gemisch 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. EP 3 157 086 A1 discloses a direct isopropanol fuel cell operated at ambient temperature, which uses an isopropanol-water mixture as fuel. The mixture is provided in a fuel store. Unused fuel containing water, isopropanol and acetone is returned from the fuel cell outlet to the fuel store and reused. The fuel accumulator is connected to the environment via an opening for pressure equalization.
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. Since for mobile applications, for example in motor vehicles or electrically assisted muscle-powered vehicles, almost 100% of the fuel should be implemented, a separation unit is regularly provided in the prior art, which makes use of the condensation point of isopropanol to to separate it from acetone and then return it cooled and liquid to the vaporizer. Here again, energy is used to reheat and vaporize the isopropanol, which is inefficient in terms of energy, even if waste heat from the fuel cell could be used for heating or vaporization and, for example, airstream for cooling or condensing. Finally, the power consumption (electrical energy required for vaporization) of currently used, commercial vaporizer units usually exceeds the theoretically possible power of the vaporized amount of isopropanol, which can be calculated according to Faraday's law.
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. It is the object of the invention to provide a method for operating a fuel cell arrangement for generating electrical energy from an organic energy carrier, which method is energetically optimized. In addition, it is the object of the invention to provide a fuel cell arrangement suitable for carrying out the method.
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. This object is achieved by a method for operating a fuel cell arrangement with generation of electrical energy from an organic energy carrier, a mixture of water and isopropanol being used as the organic energy carrier, with a first store for storing the organic energy carrier and a fuel cell being provided which have a having a first input connected to the first store, and a first output, and the fuel cell also has a second input through which an electrochemically reducible fluid, in particular air, is supplied to the fuel cell, the organic energy carrier being generated by the fluid in the fuel cell electrical energy is oxidized, so that an oxidation product of the organic energy carrier in the form of acetone and unreacted organic energy carriers are passed through the first outlet, the isopropanol having a boiling point which is above a setpoint operating temperature of the fuel cell, and the acetone having a boiling point has, which is below the target operating temperature of the fuel cell, so that the acetone is present in gaseous form at the first outlet of the fuel cell and unreacted organic energy carrier is present as a liquid, wherein in a return line from the first outlet to the first memory or at the first input a separator is provided for separating the acetone from the unreacted organic energy source, the acetone being transferred to a second store and the unreacted organic energy source being at least partially returned to the first store or first input via the return line.
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. This object is also achieved by a method for operating a fuel cell arrangement while generating electrical energy from an organic energy carrier, a mixture of water and butan-2-ol (C4H10O) being used as the organic energy carrier, with a first store for storing the organic energy carrier and a fuel cell can be provided which has a first input connected to the first store and a first output, and the fuel cell also has a second input through which an electrochemically reducible fluid, in particular air, is supplied to the fuel cell, the organic energy carrier is oxidized by the fluid in the fuel cell to generate electrical energy, so that an oxidation product of the organic energy carrier in the form of butan-2-one (C4H8O) and unreacted organic energy carriers are passed through the first outlet, the butan-2-ol has a boiling temperature that is above a target operating temperature of the fuel cell, and the butan-2-one has a boiling temperature that is below the target operating temperature of the fuel cell, so that the butan-2-one is present in gaseous form at the first outlet of the fuel cell and unreacted organic energy carrier is present as a liquid, with a separator for separating the butan-2-one from the unreacted organic energy carrier being provided in a return line from the first outlet to the first reservoir or first inlet, the butan-2-one in a second Memory is transferred and the unreacted organic energy carrier is at least partially fed back to the first memory or first input via the return line.
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. This achieves the advantage that the oxidation product can be separated from the product mixture of the fuel cell in a much more favorable manner in terms of energy, for example by means of a gas-liquid separator. The object is also achieved for a fuel cell arrangement for carrying out the method according to the invention, comprising the first store, the fuel cell, the return line from the first outlet of the fuel cell back to the first store or to the first inlet of the fuel cell, the separator and the second store.
Bevorzugt umfasst die Brennstoffzellenanordnung weiterhin zwischen dem Abscheider und dem zweiten Speicher angeordnet einen Wärmetauscher. The fuel cell arrangement preferably also comprises a heat exchanger arranged between the separator and the second store.
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. The fuel cell arrangement for generating electrical energy from an organic energy carrier accordingly comprises a store for storing the organic energy carrier and a fuel cell which has a first input connected to the store and a first output. The fuel cell also has a second inlet through which an electrochemically reducible fluid, in particular air, can be fed to the fuel cell. The organic energy carrier is oxidized by the fluid in the fuel cell to generate electrical energy, so that an oxidation product of the organic energy carrier and unreacted organic energy carrier can be conducted through the first outlet. Unreacted organic energy carriers comprising water, isopropanol and acetone or alternatively water, butan-2-ol and butan-2-one can then be routed via the return line in the direction of the first reservoir or the first inlet.
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. The fuel cell is therefore a direct alcohol fuel cell, the intended target operating temperature of which is lower than 150°C (at normal pressure), preferably in the range from 56 to 82°C when using isopropanol in the organic energy carrier or in the range from 80 to 99°C C when using butan-2-ol in the organic energy source.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 wird ein flüssiges y-Wasser/z-lsopropanol-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-lsopropanol-Gemisch wird im flüssigen Zustand bei einer vordefinierten Temperatur, beispielsweise um die 75°C, der Brennstoffzelle zugeführt. In a first variant of the method according to claim 1, a liquid y-water/z-isopropanol mixture is introduced into the fuel cell as an organic energy source. Isopropanol is a secondary alcohol and has a boiling point of 82°C. The liquid y-water/z-isopropanol mixture is fed to the fuel cell in the liquid state at a predefined temperature, for example around 75°C.
Zur Temperierung des flüssigen y-Wasser/z-lsopropanol-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-lsopropanol-Gemisch auf eine vordefinierte Temperatur zu erwärmen. For example, the waste heat from the fuel cell can be used to control the temperature of the liquid y-water/z-isopropanol mixture. Alternatively or additionally, a separate heater can also be provided in order to heat the liquid y-water/z-isopropanol mixture to a predefined temperature.
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-lsopropanol-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. Along the flow field of the organic energy carrier through the fuel cell, a similar gradient (z to z-a) arises as in the previous operation of the fuel cell known from the prior art with a gaseous educt mixture. However, the oxidation product in the form of a-acetone is converted directly into a gaseous state when isopropanol is used. This is possible because acetone has a boiling point of 56°C. This results in an energetically significant advantage in the separation of the product stream discharged from the fuel cell. The gaseous oxidation product in the form of a-acetone can, for example, be separated in a temperature-controlled gas-liquid separator and the still heated, unreacted organic energy carrier can be directly recirculated in the form of a y-water/z-isopropanol mixture with a reduced isopropanol content, without the need for thermal energy get lost. The separated gaseous oxidation product a-acetone is preferably condensed at ambient temperature and collected and stored in the second store.
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). In a second variant of the process according to claim 3, a butan-2-ol is used instead of isopropanol. The use of the non-primary alcohol butan-2-ol (boiling point of 99°C) leads to an oxidation product in the form of butan-2-one (boiling point of 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. Mixtures of isopropanol and butan-2-one can also be used here. Due to the different physical properties, the target operating temperature of the fuel cell and the separability of the oxidation products can be optimized. The advantageous effect of these configurations is based on the fact that an uncontrolled escape of oxidation product into the environment is prevented. It is also possible to feed the stored oxidation product to stationary recycling, for example during a refueling process.
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. In the case of the fuel cell arrangement, the cathode-side air supply can take place via a filter, a compressor, a mass flow controller and a humidifier in a manner similar to that in a conventional hydrogen fuel cell.
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. The separator for the oxidation product is preferably connected to the second reservoir via a heat exchanger, in which the oxidation product is converted into a liquid state of aggregation.
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. According to a further particularly preferred embodiment of the method, provision can be made for the organic energy carrier to be heated between the first store and the first input of the fuel cell to a temperature between the ambient temperature and the target operating temperature of the fuel cell, in particular when the actual operating temperature of the fuel cell has not yet reached the target operating temperature. In this way, in particular, the effect can be achieved that the fuel cell can be adjusted more quickly to a desired setpoint operating temperature, with the storage of a separate energy transfer fluid, such as cooling/heating oil, being dispensed with. The organic energy carrier can be routed from the first store in a separate heated circuit and used to heat the fuel cell, i.e. independently of the supply of the anode side with organic energy carrier.
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. Furthermore, the method can also be further developed in such a way that the fuel cell has a circuit inlet and a circuit outlet for connecting the fuel cell to the circuit, with the organic energy carrier being fed to the circuit inlet at a temperature below the target operating temperature of the fuel cell, in particular when the actual - The operating temperature of the fuel cell has exceeded the target operating temperature. The advantage of this design is that it also cools the fuel cell no separate cooling fluid, such as cooling water or cooling oil, is required, since the organic energy carrier also takes over this function.
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. In a likewise preferred embodiment of the method, the mixing ratio of water to isopropanol or water to butan-2-one can also be set to between 20:80 and 80:20% by volume, which is particularly suitable for the operation of the fuel cell arrangement turned out.
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. It can also be advantageous to further develop the method in such a way that air is used as the electrochemically reducible fluid. In principle, however, it would also be conceivable to use a liquid or gaseous electrochemically reducible fluid that is not air. For example, pure oxygen or oxygen-enriched or oxygen-depleted air could also be used.
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. According to a further preferred embodiment of the method, it can be provided that the electrochemically reducible fluid is fed to the second inlet of the fuel cell without passing through a humidifier, which also contributes to a simplified procedural design of the fuel cell arrangement.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens beispielhaft erläutert. The invention is explained below by way of example using figures without restricting the general inventive idea.
Es zeigt: It shows:
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung in einer schematischen Blockschaltdarstellung und ein Verfahren zu deren Betrieb, FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell arrangement in a schematic block diagram and a method for its operation,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung in einer schematischen Blockschaltdarstellung und ein Verfahren zu deren Betrieb, Figur 3 eine dritte Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung in einer schematischen Blockschaltdarstellung und ein Verfahren zu deren Betrieb, und FIG. 2 shows a second embodiment of a fuel cell arrangement in a schematic block diagram and a method for its operation, FIG. 3 shows a third embodiment of a fuel cell arrangement in a schematic block diagram and a method for its operation, and
Figur 4 eine vierte Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung in einer schematischen Blockschaltdarstellung und ein Verfahren zu deren Betrieb. FIG. 4 shows a fourth embodiment of a fuel cell arrangement in a schematic block diagram and a method for its operation.
Die Figur 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. FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell arrangement 1 for generating electrical energy from an organic energy carrier 2 and explains a method for its operation. The fuel cell arrangement 1 includes a first store 3 for storing the organic energy source 2 in the form of a mixture of water (H2O) and isopropanol (IPA). The fuel cell arrangement 1 also includes a fuel cell 4, which has a first input 5 on the anode side, which is connected to the first store 3, and a first output 6a on the anode side. The line for supplying organic energy carrier 2 to the first input 5 is optionally heated. Furthermore, the fuel cell 4 has a second inlet 7 on the cathode side, through which an electrochemically reducible fluid 8, in the form of air in the exemplary embodiments shown, is supplied to the fuel cell 4. Here the air is fed to the second input 7 via a filter (not shown), a compressor (not specified) and a humidifier 11 . The organic energy carrier 2 is oxidized by the fluid 8 in the fuel cell 4, generating electrical energy, so that an oxidation product 9 in the form of acetone and unreacted organic energy carrier 2' is passed through the first outlet 6a into the return line 17 and via a separator 10 become. On the cathode side of the fuel cell 4 there is also a second outlet 6b for products from the cathode side, in particular water.
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. The isopropanol has a boiling point that is above a target operating temperature of the fuel cell 4, 75° C. in this case. The oxidation product 9 in the form of acetone has a boiling temperature that is lower than the target operating temperature of the fuel cell 4, so that Oxidation product 9 is present in gaseous form at the first output 6a of the fuel cell 4 and unreacted isopropanol and water are present as a liquid.
Wie aus der Figur 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. As can be seen from FIG. 1, the gaseous oxidation product 9 is separated from the product stream via a separator 10 from the liquid, unreacted organic energy source 2'. The oxidation product 9 reaches a second reservoir 12 in liquid form via a heat exchanger 18, which cools the gaseous acetone. The separated mixture of water with a reduced proportion of isopropanol is then returned as unreacted organic energy carrier 2' via the return line 17 to the fuel cell 4 returned. This is done here via a corresponding connection of the return line 17 between the first reservoir 3 and the suction side of a pump, which is not specified in detail.
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 Figur 2 gezeigt ist. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 zeigen in Figur 2 gleiche Elemente. Alternatively or in addition, it would also be possible for the return line 17 to open out directly in the first store 3 between the first outlet 6a and the first store 3, as is shown in FIG. The same reference symbols as in FIG. 1 indicate the same elements in FIG.
Wie in den Figuren 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. As shown in FIGS. 1-4, the separator 10 is connected to the second store 12, in which the separated oxidation product 9, preferably in a liquid state of aggregation, is stored.
Die Figur 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 Figuren 1 und 2 kennzeichnen gleiche Elemente. Figure 4 shows an embodiment of the fuel cell arrangement 1, in which the temperature of the product stream can be used to heat the organic energy source in front of the input 5 of the fuel cell 4 to a temperature between the ambient temperature and the target operating temperature of the fuel cell 4. The same reference symbols as in FIGS. 1 and 2 denote the same elements.
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 Figur 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. For this purpose, the organic energy source 2 is first fed via a pump (not specified) and via a further heat exchanger 19 in the circuit 13a to the circuit inlet 14 of the fuel cell 4, via which the waste heat of the product stream from the first outlet 6a of the fuel cell 4 is transferred to the Organic energy source 2 is transferred in the dashed cycle 13a. It is alternatively possible that the dashed circuit 13a can also flow through the heat exchanger 18 and thus remove even more thermal energy from the condensation of the product acetone. In this embodiment of the invention, the fuel cell 4 has a circuit inlet 14 and a circuit outlet 15 for connecting the fuel cell 4 to the circuit 13a. It goes without saying that the circuit 13a can be used for cooling as well as for heating up the fuel cell 4 . The organic energy source 2 is thus preheated via the additional heat exchanger 19 or a heater (see FIG. 3), not shown here, fed into the fuel cell 4 and thus supports the adjustment of the fuel cell 4 to a predefined target operating temperature. Instead of or in addition to the further heat exchanger 19, such a heater can also be provided in the circuit 13a between the first store 3 and the circuit inlet 14, by means of which the temperature of the organic energy carrier 2 is adjusted. The heated organic energy carrier 2 is discharged from the fuel cell 4 via the circuit outlet 15 and returned to the first store 3 . It is also possible to supply the heated organic energy source 2 directly to the first input 5 of the fuel cell 4 . In the first store 3, the heated organic energy source 2 mixes with the organic energy source 2 stored there and is fed to the first input 5 of the fuel cell 4 via a pump. The organic energy carrier 2 is also oxidized here by the fluid 8 in the fuel cell 4 to generate electrical energy, so that an oxidation product 9 in the form of acetone and unreacted organic energy carrier 2 'through the first outlet 6a in the return line 17 and via the separator 10 to be directed. The gaseous oxidation product 9 from this product stream is separated from the liquid, unreacted organic energy source 2' via the separator 10. The oxidation product 9 reaches the second storage tank 12 in liquid form via the heat exchanger 18, which cools the gaseous acetone.
Die Figur 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 Figuren 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. FIG. 3 shows an alternative configuration of the fuel cell arrangement 1, in which the organic energy source 2 can be fed to the circuit inlet 14 at a temperature below the intended operating temperature of the fuel cell 4, in particular when the actual operating temperature of the fuel cell 4 has exceeded the target operating temperature. The same reference symbols as in FIGS. 1, 2 and 4 identify the same elements. For this purpose, the organic energy source 2 is used directly from the first store 3 to cool the fuel cell 4 that has already been heated and is conducted in the circuit 13 , which runs independently of the anode and cathode compartment of the fuel cell 4 . The relatively cooler organic energy carrier 2 cools the fuel cell 4 . In this context, it would also be conceivable for a heat exchanger to be arranged in the circuit 13 for further cooling of the organic energy carrier 2 . It would also be possible to preheat the organic energy carrier 2 via an optionally usable heater 16, which is arranged in the circuit 13 between the first storage device 3 and the circuit inlet 14, for example to quickly heat the fuel cell 4 to a desired target operating temperature after a cold start set.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 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. The exemplary embodiments of FIGS. 1-4 show that the electrochemically reducible fluid 8 runs through a humidifier 11 . In principle, it would also be possible for the electrochemically reducible fluid 8 to be present at the second input 7 of the fuel cell 4 without passing through a humidifier 11 .
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. Bezuqszeichenliste The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The foregoing description is therefore not to be considered as limiting but as illustrative. The following patent claims are to be understood in such a way that a mentioned feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' feature, this designation serves to distinguish between two features of the same type, without establishing a ranking. Reference character list
1 Brennstoffzellenanordnung 1 fuel cell assembly
2 organischer Energieträger 2 organic energy sources
2' nicht umgesetzter organischer Energieträger2 'unreacted organic energy carrier
3 erster Speicher 3 first memory
4 Brennstoffzelle 4 fuel cell
5 erster Eingang 5 first entrance
6a erster Ausgang 6a first exit
6b zweiter Ausgang 6b second exit
7 zweiter Eingang 7 second entrance
8 Fluid 8 fluids
9 Oxidationsprodukt 9 oxidation product
10 Abscheider 10 separators
11 Befeuchter 11 humidifiers
12 zweiter Speicher 12 second storage
13, 13a Kreislauf 13, 13a circuit
14 Kreislaufeingang 14 circuit input
15 Kreislaufausgang 15 circuit outlet
16 Heizung 16 heating
17 Rückführleitung 17 return line
18 Wärmetauscher 18 heat exchangers
19 weiterer Wärmetauscher 19 other heat exchangers

Claims

Patentansprüche patent claims
1. 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. 1. A method for operating a fuel cell arrangement (1) to generate electrical energy from an organic energy carrier (2), wherein a mixture of water and isopropanol is used as the organic energy carrier (2), with a first storage device (3) for storing the organic energy carrier (2) and a fuel cell (4) are provided, which has a first input (5) connected to the first store (3) and a first output (6a), and the fuel cell (4) also has a second input (7) has, through which an electrochemically reducible fluid (8), in particular air, the fuel cell (4) is supplied, wherein the organic energy carrier (2) is oxidized by the fluid (8) in the fuel cell (4) to generate electrical energy, so that an oxidation product (9) of the organic energy carrier (2) in the form of acetone and unreacted organic energy carrier (2') are discharged through the first outlet (6a), the isopropanol having a boiling point above a target operating temperature of the fuel cell (4) and the acetone has a boiling point which is below the target operating temperature of the fuel cell (4), so that the acetone is present in gaseous form at the first outlet (6a) of the fuel cell (4) and unreacted organic energy carriers (2' ) is present as a liquid, a separator (10) for separating the acetone from the unreacted organic energy carrier (2') being provided in a return line (17) from the first outlet (6a) to the first reservoir (3) or to the first inlet (5). where the acetone is transferred to a second store (12) and the unreacted organic energy carrier (2') is at least partially fed back to the first store (3) or first inlet (5) via the return line (17).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) im Bereich von 56 bis 82°C eingestellt wird. 2. The method of claim 1, wherein the target operating temperature of the fuel cell (4) is set in the range of 56 to 82 ° C.
3. 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. 3. A method for operating a fuel cell arrangement (1) while generating electrical energy from an organic energy source (2), wherein the organic energy source (2) is a mixture of water and butan-2-ol (C4H10O) is used, with a first store (3) for storing the organic energy carrier (2) and a fuel cell (4) being provided which has a first input (5) connected to the first store (3) and a first output (6a), and the fuel cell (4) also has a second inlet (7) through which an electrochemically reducible fluid (8), in particular air, is supplied to the fuel cell (4), the organic energy carrier (2) passing through the Fluid (8) in the fuel cell (4) is oxidized to generate electrical energy, so that an oxidation product (9) of the organic energy carrier (2) in the form of butan-2-one (C4H8O) and unreacted organic energy carrier (2 ') are discharged through the first outlet (6a), the butan-2-ol having a boiling point which is above a target operating temperature of the fuel cell (4), and the butan-2-one having a boiling point which is below the target operating temperature of the fuel cell (4), so that the butan-2-one is present in gaseous form at the first outlet (6a) of the fuel cell (4) and unreacted organic energy carrier (2') is present as a liquid, with a return line (17) from first output (6a) to the first storage device (3) or to the first input (5), a separator (10) for separating the butan-2-one from the unreacted organic energy carrier (2') is provided, the butan-2-one is transferred to a second store (12) and the unreacted organic energy carrier (2') is at least partially fed back to the first store (3) or first input (5) via the return line (17).
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (4) im Bereich von 80 bis 99°C eingestellt wird. 4. The method according to claim 3, wherein the target operating temperature of the fuel cell (4) is set in the range from 80 to 99 °C.
5. 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. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the separator (10) with the second memory (12) via a heat exchanger (18) is connected, in which the gaseous oxidation product (9) is converted into a liquid state of aggregation.
6. 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. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the organic energy carrier (2) between the first storage (3) and the first input (5) the fuel cell (4) is heated to a temperature between the ambient temperature and the target operating temperature of the fuel cell (4), in particular when an actual operating temperature of the fuel cell (4) has not yet reached the target operating temperature.
7. 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. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the fuel cell (4) has a circuit inlet (14) and a circuit outlet (15) for connecting the fuel cell (4) to a circuit (13), the organic energy carrier (2) having the circuit inlet (14) is supplied at a temperature below the target operating temperature of the fuel cell (4), in particular when the actual operating temperature of the fuel cell (4) has exceeded the target operating temperature.
8. 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. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electrochemically reducible fluid (8) without passing through a humidifier (11) via the second input (7) of the fuel cell (4) is supplied.
9. 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). 9. Fuel cell arrangement (1) for performing a method according to any one of claims 1 to 8, comprising the first memory (3), the fuel cell (4), the return line (17) from the first output (6a) of the fuel cell (4) back to first storage (3) or to the first input (5) of the fuel cell (4), the separator (10) and the second storage (12).
10. Brennstoffzellenanordnung (1 ) nach Anspruch 9, wobei weiterhin zwischen dem Abscheider (10) und dem zweiten Speicher (12) ein Wärmetauscher (18) angeordnet ist. 10. Fuel cell arrangement (1) according to claim 9, wherein a heat exchanger (18) is further arranged between the separator (10) and the second memory (12).
PCT/DE2023/100004 2022-02-15 2023-01-05 Method for operating a fuel-cell arrangement, and fuel-cell arrangement WO2023155946A1 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022103462.3 2022-02-15
DE102022103462 2022-02-15
DE102023100157.4 2023-01-04
DE102023100157.4A DE102023100157A1 (en) 2022-02-15 2023-01-04 Method for operating a fuel cell arrangement and fuel cell arrangement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023155946A1 true WO2023155946A1 (en) 2023-08-24

Family

ID=85036970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2023/100004 WO2023155946A1 (en) 2022-02-15 2023-01-05 Method for operating a fuel-cell arrangement, and fuel-cell arrangement

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023155946A1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1081780A2 (en) * 1999-08-30 2001-03-07 Kabushiki Kaisha Toyoda Jidoshokki Seisakusho Hydrogen supply system for fuel cell
JP2004284871A (en) * 2003-03-20 2004-10-14 Honda Motor Co Ltd Dehydrogenation reactor
US20050255350A1 (en) * 2004-05-12 2005-11-17 Honda Motor Co., Ltd. Energy utilization apparatus and energy utilization method
US20060159965A1 (en) 2004-12-28 2006-07-20 Kenji Kibune Fuel cell system and cleaning system
EP3157086A1 (en) 2015-10-14 2017-04-19 OP-Hygiene IP GmbH Direct isopropanol fuel cell
US20180138567A1 (en) * 2015-04-08 2018-05-17 United Technologies Corporation Redox-air indirect fuel cell
DE102017209891A1 (en) 2017-06-12 2018-12-13 Forschungszentrum Jülich GmbH Apparatus and method for generating electrical power

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1081780A2 (en) * 1999-08-30 2001-03-07 Kabushiki Kaisha Toyoda Jidoshokki Seisakusho Hydrogen supply system for fuel cell
JP2004284871A (en) * 2003-03-20 2004-10-14 Honda Motor Co Ltd Dehydrogenation reactor
US20050255350A1 (en) * 2004-05-12 2005-11-17 Honda Motor Co., Ltd. Energy utilization apparatus and energy utilization method
US20060159965A1 (en) 2004-12-28 2006-07-20 Kenji Kibune Fuel cell system and cleaning system
US20180138567A1 (en) * 2015-04-08 2018-05-17 United Technologies Corporation Redox-air indirect fuel cell
EP3157086A1 (en) 2015-10-14 2017-04-19 OP-Hygiene IP GmbH Direct isopropanol fuel cell
DE102017209891A1 (en) 2017-06-12 2018-12-13 Forschungszentrum Jülich GmbH Apparatus and method for generating electrical power

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60010212T2 (en) Method for cold starting a PEM fuel cell
DE69917117T2 (en) Solid electrolyte fuel cell power system
DE102014100702B4 (en) Fuel cell system for thermally coupled reforming with reformate treatment and method
EP3304627B1 (en) Fuel cell with humidifier
EP1009050A2 (en) Fuel cell system, in particular for electric motor driven vehicles
DE19802038A1 (en) Direct methanol fuel cell is operated with gaseous fuel for low power losses
EP2153485B1 (en) Fuel cell system operated with liquid gas
DE102004038633B4 (en) Fuel cell system with charge air humidification
EP1032066B1 (en) Fuel cell system
WO2023155946A1 (en) Method for operating a fuel-cell arrangement, and fuel-cell arrangement
DE102023100157A1 (en) Method for operating a fuel cell arrangement and fuel cell arrangement
EP1106569B1 (en) Vaporizer for a fuel cell system
DE102021117941A1 (en) Water-based, combined cooling and humidification system for a fuel cell system
DE102020115659A1 (en) Fuel cell device with waste heat recovery and method for operating such
DE102020124071A1 (en) Solid oxide fuel cell device, method of operating such and fuel cell vehicle
DE102022108522B3 (en) Fuel cell device and method for treating and using the exhaust gas on the cathode side
DE102012011441A1 (en) Membrane electrode unit for a fuel cell
EP4037812B1 (en) Humidifier, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
DE112004002303T5 (en) Cathode saturator assembly for fuel cell power generators
DE102021123184B3 (en) solid oxide fuel cell device
DE112021000706B4 (en) Fuel cell system, its use and method for its operation
AT521650B1 (en) Fuel cell system and method of operating the same
DE102020132103A1 (en) Fuel cell system and method for temporarily increasing the production of liquid water in a part of the fuel cell stack
DE102010041465A1 (en) Direct methanol fuel cell system for use in e.g. mobile applications, for electricity generation, has moistening device enabling direct transfer of water from exhaust gas to oxidizer gas and heat transfer from exhaust gas to oxidizer gas
DE102007029430B4 (en) Fuel cell systems with rule methodology for heaters of stack end cells and a method for controlling the temperature of end cells in a fuel cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23701618

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1