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DE10111259A1 - Hydrogen containing gas supply unit comprises a vaporizer, a reformer, a catalytic burner and a unit for the selective oxidation of carbon monoxide - Google Patents

Hydrogen containing gas supply unit comprises a vaporizer, a reformer, a catalytic burner and a unit for the selective oxidation of carbon monoxide

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Publication number
DE10111259A1
DE10111259A1 DE10111259A DE10111259A DE10111259A1 DE 10111259 A1 DE10111259 A1 DE 10111259A1 DE 10111259 A DE10111259 A DE 10111259A DE 10111259 A DE10111259 A DE 10111259A DE 10111259 A1 DE10111259 A1 DE 10111259A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
reformer
catalytic burner
selective oxidation
fuel cell
containing gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10111259A
Other languages
German (de)
Inventor
Stefan Boneberg
Stefan Brauchle
Bruno Motzet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Original Assignee
Xcellsis AG
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
Application filed by Xcellsis AG filed Critical Xcellsis AG
Priority to DE10111259A priority Critical patent/DE10111259A1/en
Publication of DE10111259A1 publication Critical patent/DE10111259A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

An arrangement for producing a hydrogen containing gas from a hydrocarbon, for supplying a vehicle fuel cell, comprises a vaporizer, a reformer, a catalytic burner and a unit for the selective oxidation of carbon monoxide in the hydrogen containing gas. The selective oxidation unit (13) and the catalytic burner (14) have a heat transfer contact to the reformer (9, 11). The combustion gas for the burner contains gases from a cathode and/or anode chamber of the fuel cell.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases aus einem Kohlenwas­ serstoff, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a device for generating a hydrogen-containing gas from a coal water serstoff, according to the closer in the preamble of claim 1 defined art.

Die JP 08-301601 zeigt eine Kombination aus einem zweigeteilten Reformer, wobei die beiden Teile des Re­ formers um eine dazwischen liegende Kammer zur Konver­ tierung von Kohlenmonoxid angeordnet sind. In der Kam­ mer zur Konvertierung von Kohlenmonoxid wird unter Zugabe von Wasser das in dem aus dem Reformer kommen­ den Gas enthaltene Kohlenmonoxid über eine Wasser-Gas- Shift-Reaktion zu Kohlendioxid aufoxidiert, wobei au­ ßerdem nochmals Wasserstoff entsteht.JP 08-301601 shows a combination of one two-part reformers, the two parts of Re formers around an intermediate chamber for conversion tion of carbon monoxide are arranged. In the cam mer for converting carbon monoxide is under Add water that comes from the reformer the gas contained carbon monoxide via a water gas Shift reaction oxidized to carbon dioxide, whereby au in addition, hydrogen is produced again.

Aus der JP 11260387 A ist eine selektive Oxidations­ stufe bekannt, welche eine Kombination von katalyti­ schem Brenner und Reformer nachgeschaltet ist. Die se­ lektive Oxidationsstufe wird dabei über einen Kühler in das Wärmemanagement eines Wärmeträgerkreislaufs eingebunden. Da zur idealen Funktion der selektiven Oxidation eine vergleichsweise geringe Temperatur von ca. 200°C erforderlich ist, wird die selektive Oxida­ tionsstufe auf diese ideale Betriebstemperatur ge­ kühlt, während im Bereich des Brenners und des Refor­ mers weitaus höhere Temperaturen vorliegen. Als Beson­ derheit des oben angegebenen Aufbaus kann außerdem ge­ sehen werden, daß der Brenner in der genannten japani­ schen Schrift zumindest teilweise mittels Abgasen aus der Brennstoffzelle, welche mit dem durch den Aufbau erzeugten wasserstoffhaltigen Gas versorgt wird, be­ treibbar ist.JP 11260387 A is a selective oxidation stage known, which is a combination of catalytic downstream burner and reformer. The se The selective oxidation stage is done via a cooler  in the heat management of a heat transfer circuit involved. As the ideal function of the selective Oxidation a comparatively low temperature of about 200 ° C is required, the selective oxide tion level to this ideal operating temperature cools while in the area of the burner and the refor far higher temperatures. As Beson Unity of the above structure can also ge will see that the burner in the japani writing at least partially by means of exhaust gases the fuel cell, which with the by building generated hydrogen-containing gas is supplied, be is drivable.

Außerdem zeigen die JP 11021103 sowie die JP 11043304 jeweils Aufbauten, bei denen sämtliche Elemente zum Betrieb des Gaserzeugungssystems um einen Brenner an­ geordnet sind. Der Brenner sorgt dabei für eine Ener­ gieversorgung des gesamten Gaserzeugungssystems.JP 11021103 and JP 11043304 also show superstructures in which all elements for Operation of the gas generation system around a burner are ordered. The burner ensures an energy Gie supply of the entire gas generation system.

Zum allgemeinen Stand der Technik soll außerdem auf die DE 197 27 581 A verwiesen werden, welche einen Aufbau aus selektiver Oxidationsstufe und Reformer zeigt, wobei diese in einem wärmeleitenden Kontakt zu­ einander stehen, die in der exotherm arbeitenden Oxi­ dationsstufe entstehende Energie, also dem endotherm arbeitenden Reformer, zuführbar ist.The general state of the art is also said to the DE 197 27 581 A are referred, which one Construction from selective oxidation stage and reformer shows, this in a thermally conductive contact stand each other in the exothermic Oxi dation level arising energy, i.e. the endothermic working reformer, is feedable.

Die oben genannten Ausführungsformen eines Gaserzeu­ gungssystems bzw. der Beheizung eines Reformers in ei­ nem Gaserzeugungssystem haben alle den Nachteil, daß sie einen vergleichsweise großen und platzaufwendigen Aufbau aufweisen, und daß sie zum sicheren und selb­ ständigen Starten des Reformers, und insbesondere der selektiven Oxidationsstufe nicht geeignet sind. Übli­ cherweise wird deshalb für den Start des Gaserzeu­ gungssystems ein weiterer kaltstartfähiger Reaktor zur Erzeugung von Wasserstoff benötigt, welcher beispiels­ weise als partielle Oxidationsstufe oder dergleichen ausgebildet sein kann.The above-mentioned embodiments of a gas generator system or the heating of a reformer in egg Nem gas generation system all have the disadvantage that they are comparatively large and space-consuming Have structure, and that they for safe and the same constant start of the reformer, and especially the  selective oxidation level are not suitable. Übli This is why the gas generator is started another cold startable reactor for Generation of hydrogen is required, which for example as a partial oxidation state or the like can be trained.

Im Normalbetrieb muß dann für die Energiebereitstel­ lung, welche für die Reformierungsreaktionen in dem Reformer erforderlich ist, über die selektive Oxidati­ onsstufe, dieser weitaus mehr Sauerstoff bzw. Luft zu­ geführt werden, als für die Oxidation des in dem Re­ format vorliegenden Kohlenmonoxids eigentlich notwen­ dig wäre. Dadurch wird zusätzlicher über das Gaserzeu­ gungssystem bereitgestellter Wasserstoff oxidiert. Aufgrund dieser Tatsache wird eine Mehrproduktion von Wasserstoff nötig, weshalb der Reformer größer ausge­ legt werden muß bzw. dessen Katalysator höher belastet wird, was wiederum die Lebensdauer des Katalysators negativ beeinflußt. Der energetische Gesamtwirkungs­ grad, die Lebensdauer und/oder der Platzbedarf von derartigen Systemen verändert sich dadurch in nachtei­ liger Weise.In normal operation, the energy must then be provided lung, which for the reforming reactions in the Reformer is required through the selective oxidati onsstufe, this much more oxygen or air be performed as for the oxidation of the in the Re carbon monoxide actually present would be dig. This will add additional gas provided hydrogen oxidized. Due to this fact, an additional production of Hydrogen needed, which is why the reformer turned out larger must be placed or its catalyst loaded higher becomes, which in turn, the life of the catalyst negatively influenced. The overall energetic effect degrees, the lifespan and / or the space requirement of systems of this kind change into disadvantages liger way.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Gaserzeu­ gungssystem, insbesondere hinsichtlich der Energiever­ sorgung des Reformers, derart aufzubauen, daß die in dem System vorliegende Energie ideal zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas genutzt wird, und daß darüber hinaus einen sehr kleinen und kompakten Aufbau bietet, welcher sich platzsparend in entsprechende Systeme, beispielsweise in von einer Brennstoffzelle angetrie­ bene Kraftfahrzeuge, integrieren lässt. It is therefore the object of the invention to produce a gas system, especially with regard to energy supply care of the reformer, so that the in energy present in the system is ideal for generating hydrogen-containing gas is used, and that about it offers a very small and compact structure, which is space-saving in corresponding systems, for example driven by a fuel cell bene motor vehicles, can be integrated.  

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale ge­ löst.According to the invention, this task is characterized by the drawing part of claim 1 mentioned features ge solves.

Dadurch, daß der wenigstens eine Reformer sowohl in einem wärmeübertragenen Kontakt mit Einrichtung zur selektiven Oxidation als auch mit dem wenigstens einen katalytischen Brenner steht, kann sichergestellt wer­ den, daß der wenigstens eine Reformer immer ideal mit Wärme versorgt wird. Insbesondere im Kaltstartfall kann über den katalytischen Brenner die gesamte erfor­ derliche Wärmeenergie aufgebracht werden, bis die be­ nötigte Temperatur zur Verfügung steht und der Refor­ mer und die selektive Oxidationsstufe gestartet wer­ den.The fact that the at least one reformer in both a heat transfer contact with the device selective oxidation as well with the at least one catalytic burner, you can ensure who that at least one reformer is always ideal with Heat is supplied. Especially in the event of a cold start can research the whole of the catalytic burner thermal energy until the be necessary temperature is available and the refor and the selective oxidation stage the.

Neben einer baulichen Vereinfachung des Aufbaus erge­ ben sich hier also auch Vorteile hinsichtlich der Ver­ fahrensführung.In addition to a structural simplification of the erge So there are also advantages in terms of ver direction drive.

Während des normalen Betriebs der Anlage wird der ka­ talytische Brenner dabei mit den Abgasen aus dem Ka­ thoden- und dem Anodenraum der Brennstoffzelle betrie­ ben. Dabei kann die in den Abgasen der Brennstoffzelle in Form von Kohlenwasserstoff- und Wasserstoffresten vorliegende Energie ebenfalls zur Beheizung des Refor­ mers genutzt werden. Im Startfall der Vorrichtung zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases kann außerdem der über die Kathodenkammer der Brennstoffzelle geför­ derte Luft- bzw. Sauerstoffstrom zum Betrieb der Vor­ richtung genutzt werden, so daß hier weitere Hilfse­ nergie zum Bereitstellen eines entsprechenden kompri­ mierten Luft- bzw. Sauerstoffstroms eingespart werden kann. During normal operation of the system, the ka talytic burner with the exhaust gases from the Ka and the anode compartment of the fuel cell ben. This can in the exhaust gases of the fuel cell in the form of hydrocarbon and hydrogen residues available energy also for heating the refor be used. When starting the device for Generation of the hydrogen-containing gas can also which is carried over the cathode chamber of the fuel cell air or oxygen flow to operate the pre direction are used, so that here further help energy to provide a corresponding kompri mated air or oxygen flow can be saved can.  

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist also entschei­ dende Vorteile hinsichtlich des erforderlichen Bau­ raums, der Betriebsführung und der Energieausnutzung auf.The device according to the invention therefore decides advantages in terms of the required construction space, management and energy use on.

In einer besonders günstigen Ausführungsform der Er­ findung ist der Reformer, die Einrichtung zur selekti­ ven Oxidation und der katalytische Brenner in einem in der Art eines Plattenwärmetauschers aufgebauten Reak­ tor angeordnet.In a particularly favorable embodiment of the Er invention is the reformer, the institution for selection ven oxidation and the catalytic burner in one a type of plate heat exchanger gate arranged.

Insbesondere die Wärmeübertragung zwischen den einzel­ nen Elementen sowie die Anforderungen hinsichtlich des Bauraums werden hierdurch weiter optimiert.In particular, the heat transfer between the individual elements as well as the requirements regarding the This further optimizes installation space.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.He further advantageous embodiments of the invention give themselves from the remaining subclaims as well those shown below with reference to the drawing Embodiments.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoff­ haltigen Gases; Figure 1 shows a possible structure of the device according to the invention for generating a hydrogen-containing gas.

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform der Vorrich­ tung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases; und Fig. 2 shows an alternative embodiment of the device for generating a hydrogen-containing gas; and

Fig. 3 eine Reaktoreinheit mit Reformer, katalyti­ schem Brenner und Einrichtungen zur selektiven Oxidation. Fig. 3 shows a reactor unit with reformer, catalytic cal burner and devices for selective oxidation.

Fig. 1 zeigt nun einen möglichen Aufbau einer Vorrich­ tung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases aus einem Kohlenwasserstoff zur Versorgung einer Brenn­ stoffzelle 1. Fig. 1 now shows a possible structure of a Vorrich processing for generating a hydrogen-containing gas from a hydrocarbon material for supplying an internal cell 1.

Die Brennstoffzelle 1 weist dabei einen Kathodenraum 2 und einen Anodenraum 3 auf. Selbstverständlich kann die Brennstoffzelle 1 dabei in der üblichen Form als Brennstoffzellenstack ausgebildet sein, welcher dann jeweils mehrere dieser Räume aufweist, welche es sich jedoch in der Art einer Parallelschaltung hinsichtlich ihrer Gasströme zu jeweils einem "Raum" verbinden las­ sen.The fuel cell 1 has a cathode compartment 2 and an anode compartment 3 . Of course, the fuel cell 1 can be designed in the usual form as a fuel cell stack, which then each has several of these rooms, which, however, can be connected in the manner of a parallel connection with respect to their gas flows to form a "room".

Beim Betrieb der Brennstoffzelle 1 werden über eine Leitung 4 Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas, wie z. B. Luft, in den Kathodenraum 2 eingebracht, während über eine Leitung 5 wasserstoffhaltiges Gas aus der Vorrichtung zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Ga­ ses zu dem Anodenraum 3 geleitet werden.When operating the fuel cell 1 4 oxygen or oxygen-containing gas, such as. B. air, introduced into the cathode compartment 2 , while a line 5 hydrogen-containing gas from the device for generating the hydrogen-containing Ga ses are passed to the anode compartment 3 .

Im nachfolgenden soll nun die an sich bekannte Erzeu­ gung eines wasserstoffhaltigen Gases aus einem Kohlen­ wasserstoff, beispielsweise einem flüssigen Kohlenwas­ serstoff, wie Methanol oder dergleichen, beschrieben werden.In the following, the well-known ore will now generation of a hydrogen-containing gas from a coal hydrogen, for example a liquid coal hydrogen, such as methanol or the like become.

Zur Vereinfachung der Darstellung wird dabei auf eini­ ge der nicht unbedingt notwendigen Teilkomponenten in dem Gaserzeugungssystem verzichtet und es wird bei­ spielhaft davon ausgegangen, daß im Bereich einer Lei­ tung 6 ein Gemisch aus Wasser und Methanol einem Ver­ dampfer 7 zugeführt wird. Der Verdampfer 7 verdampft das Gemisch aus Wasser und Kohlenwasserstoff und führt es über die Leitung 8 einem ersten Reformer 9 zu. In dem Reformer 9 findet dabei eine Reformierung der zu­ geführten Stoffe statt, so daß mittels einer Wasser- Gas-Shift-Reaktion aus dem Kohlenwasserstoff/Wasser- Gemisch ein wasserstoffhaltiges Gas entsteht. Über ei­ ne weitere Leitung 10 wird dieses im Bereich des Re­ formers 9 nur teilweise umgesetzte Gemisch in einen zweiten Reformer 11 geführt, in welchem gemäß einer gleichen bzw. ähnlichen Reaktion der Umsatz des Ge­ mischs in ein überwiegend wasserstoffhaltiges Gas er­ folgt. Die Leitung 10 muß dabei nicht wie hier darge­ stellt explizit als eigenständiges Leitungselement ausgebildet sein, es kann sich hierbei auch um einen zweistufigen Reformer handeln, welcher den ersten Re­ former 9 und den zweiten Reformer 11 in einer Bauein­ heit beinhaltet, wobei sich die beiden Reformer dann in Strömungsrichtung des Gases bzw. Reformats nachein­ ander befinden.In order to simplify the illustration, some of the subcomponents that are not absolutely necessary in the gas generation system are dispensed with and it is playfully assumed that a mixture of water and methanol is supplied to a evaporator 7 in the region of a line 6 . The evaporator 7 evaporates the mixture of water and hydrocarbon and feeds it via line 8 to a first reformer 9 . In the reformer 9 , the substances to be fed are reformed so that a hydrogen-containing gas is produced from the hydrocarbon / water mixture by means of a water-gas shift reaction. Via a further line 10 , this mixture, which is only partially converted in the region of the reformer 9, is passed into a second reformer 11 , in which, according to an identical or similar reaction, the conversion of the mixture into a predominantly hydrogen-containing gas follows. The line 10 does not have to be designed explicitly as a separate line element, as shown here, but it can also be a two-stage reformer which includes the first reformer 9 and the second reformer 11 in one unit, the two reformers then are in the flow direction of the gas or reformate one after the other.

Von dem Reformer 11 gelangt das Reformat, welches auf­ grund der an sich bekannten Vorgänge in den Reformern einen vergleichsweise hohen Anteil an Kohlenmonoxid aufweist, in eine Einrichtung 13 zur selektiven Oxida­ tion des Kohlenmonoxids. Diese wird nachfolgend kurz als selektive Oxidationstufe 13 bezeichnet. Von dieser selektiven Oxidationsstufe 13 gelangt das Gas über die Leitung 5 zu dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 1. Im Bereich der Leitung 5 kann dabei eine hier nicht dargestellte Feinreinigung des Gases erfolgen, welche für das Grundprinzip des Aufbaus jedoch nicht unbe­ dingt erforderlich ist. Zum Bereitstellen der Energie in dem Bereich des ersten Reformers 9 dient dabei die durch die selektive Oxidation des Kohlenmonoxids in der selektiven Oxidationsstufe 13 erzeugte thermische Energie, da diese selektive Oxidation exotherm ver­ läuft.From the reformer 11 , the reformate, which due to the processes known per se in the reformers has a comparatively high proportion of carbon monoxide, enters a device 13 for selective oxidation of the carbon monoxide. This is briefly referred to below as selective oxidation state 13 . From this selective oxidation stage 13 , the gas passes via line 5 to the anode compartment 3 of the fuel cell 1 . In the area of line 5 , a fine purification of the gas, not shown here, can be carried out, which, however, is not absolutely necessary for the basic principle of the structure. To provide the energy in the area of the first reformer 9 is the thermal energy generated by the selective oxidation of carbon monoxide in the selective oxidation stage 13 , since this selective oxidation is exothermic.

Zum Bereitstellen der Energie im Bereich des zweiten Reformers 11 dient ein katalytischer Brenner 14. Die­ ser katalytische Brenner 14 wird über die Leitung 15 mit den Abgasen aus dem Kathodenraum 2 und dem Anoden­ raum 3 der Brennstoffzelle versorgt. Das Abgas aus dem Kathodenraum 2 liefert dabei den für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoff, während in dem Abgas aus dein Anodenraum 3 im allgemeinen vergleichsweise viele Reste an Wasserstoff und in den Reformern 9, 11 nicht vollständig umgesetzter Kohlenwasserstoff enthalten sind, welche, zumindest während dem Normalbetrieb der Vorrichtung, einen ausreichenden Energieinhalt zur Versorgung des zweiten Reformers 11 mit der benötigten thermischen Energie über den katalytischen Brenner 14 enthalten.A catalytic burner 14 serves to provide the energy in the area of the second reformer 11 . The water catalytic burner 14 is supplied via line 15 with the exhaust gases from the cathode compartment 2 and the anode compartment 3 of the fuel cell. The exhaust gas from the cathode compartment 2 supplies the oxygen required for the combustion, while the exhaust gas from the anode compartment 3 generally contains a comparatively large amount of hydrogen and the reformers 9 , 11 do not fully convert hydrocarbon, which, at least during normal operation the device, contain sufficient energy to supply the second reformer 11 with the required thermal energy via the catalytic burner 14 .

Über die Leitung 16 werden dann die heißen Abgase aus dem katalytischen Brenner zu dem Verdampfer 7 geleitet um ihren restlichen Energieinhalt hier zur Verdampfung des flüssigen Kohlenwasserstoffs bzw. des Wassers zu nutzen. In der Startphase der Brennstoffzellenanlage und bei entsprechend schlechten Bedingungen kann es hier notwendig sein, daß im Bereich der Leitung 16 ein weiterer, optionaler Brenner 17, welcher beispielswei­ se ebenfalls als katalytischer Brenner ausgebildet sein kann, eingesetzt wird. Zur Versorgung dieses Brenners 17 kann dann optional weiterer Brennstoff, beispielsweise in Form des flüssigen Kohlenwasser­ stoffs zugeführt werden. Diese optionale Zufuhr von Brennstoff ist dabei, an verschiedenen möglichen Stellen, über die gestrichelten Einheiten mit der Bezugs­ zahl "18" angedeutet.The hot exhaust gases from the catalytic burner are then conducted via line 16 to the evaporator 7 in order to use their remaining energy content here to evaporate the liquid hydrocarbon or water. In the start-up phase of the fuel cell system and under correspondingly poor conditions, it may be necessary here for a further, optional burner 17 , which, for example, can also be configured as a catalytic burner, to be used in the region of the line 16 . To supply this burner 17 , additional fuel can then optionally be supplied, for example in the form of the liquid hydrocarbon. This optional supply of fuel is indicated at various possible points by the dashed units with the reference number "18".

Der beschriebene Aufbau bietet nun die sehr günstige Möglichkeit, daß der erste Reformer 9, welcher über die selektive Oxidationsstufe 13 mit Energie versorgt wird, bei einer für eine Reformierung vergleichsweise niedrigen Temperatur, beispielsweise bei ca. 200°C, betrieben werden kann, da dies die ideale Betriebstem­ peratur für die selektive Oxidationsstufe 13 dar­ stellt. Im Bereich des zweiten Reformers 11 kann das in dem ersten Reformer 9 noch nicht reformierte Koh­ lenwasserstoff/Wasser-Gemisch dann "nachreformiert" werden, wobei dieser Reformer, welcher über den kata­ lytischen Brenner 14 beheizt wird, bei entsprechend höheren Temperaturen betrieben werden kann.The structure described now offers the very favorable possibility that the first reformer 9 , which is supplied with energy via the selective oxidation stage 13 , can be operated at a temperature which is comparatively low for reforming, for example at approximately 200 ° C., since this represents the ideal operating temperature for the selective oxidation state 13 . In the area of the second reformer 11 , the hydrogen / water mixture not yet reformed in the first reformer 9 can then be "reformed", this reformer, which is heated by the catalytic burner 14 , being operated at correspondingly higher temperatures.

Fig. 2 zeigt nun einen ähnlichen Aufbau, wobei hier jedoch der einzige Reformer 9 zusammen mit der selek­ tiven Oxidationsstufe 13 und dem katalytischen Brenner 14 als in wärmeleitenden Kontakt zueinander stehende Baueinheit ausgebildet ist. Fig. 2 shows a similar structure, but here the only reformer 9 is formed together with the selective oxidation stage 13 and the catalytic burner 14 as a structural unit in heat-conducting contact with each other.

Ansonsten liegen vergleichbare Bauelemente vor und es wurde für die jeweils vergleichbaren Bauelemente und Leitungen jeweils dieselbe Bezugszahl wie in Fig. 1 verwendet. Der Aufbau sollte damit analog zu dem oben genannten Aufbau nachvollziehbar sein.Otherwise, there are comparable components and the same reference number as in FIG. 1 was used for the respectively comparable components and lines. The structure should be traceable analogous to the structure mentioned above.

Die Leitung 15 teilt sich bei dem hier dargestellten Aufbau jedoch in eine Leitung 15a, welche das Abgas aus dem Kathodenraum 2 der Brennstoffzelle 1 im kata­ lytischen Brenner 14 zuführt, und eine Leitung 15b, von dem Anodenraum 3 zu dem katalytischen Brenner 14, auf. Außerdem ist eine Leitung 15b' zur Versorgung des Brenners 17 mit Reststoffen aus den Abgasen des An­ odenraums 3 der Brennstoffzelle 1 vorgesehen. Der Brenner 17 ist bei diesem Aufbau gemäß Fig. 2 zur Ver­ sorgung des Verdampfers 7 mit thermischer Energie vor­ gesehen, er kann jedoch auch hier, wie in Fig. 1 op­ tional weggelassen werden. Ebenso wie in Fig. 1 gibt es jedoch auch hier die optionalen Punkte 18 zum nach­ träglichen Einbringen von Brennstoff, beispielsweise in Form des Kohlenwasserstoffs, falls dies beispiels­ weise in der Startphase oder je nach Betriebsführung der Brennstoffzelle 1 erforderlich sein sollte.However, the conduit 15 is divided, in the illustrated construction in a line 15 a, which feeds the exhaust gas from the cathode chamber 2 of the fuel cell 1 in kata lytic burner 14, and a line 15 b, from the anode chamber 3 to the catalytic burner 14, on. In addition, a line 15 b 'is provided for supplying the burner 17 with residues from the exhaust gases of the anode space 3 of the fuel cell 1 . The burner 17 is seen in this construction according to FIG. 2 for supplying the evaporator 7 with thermal energy, but it can also be omitted here, as in FIG. 1. As in FIG. 1, however, there are also the optional points 18 for the subsequent introduction of fuel, for example in the form of the hydrocarbon, if this should be necessary, for example, in the starting phase or depending on the operational management of the fuel cell 1 .

Außerdem kann der Aufbau gemäß Fig. 2, in nicht darge­ stellter Form, eine Nachreformierungstufe im Bereich der Leitung 12 sowie eine Feinreinigung für das Refor­ mat im Bereich der Leitung 5 aufweisen.In addition, the structure according to FIG. 2, in a form not shown, can have a reforming stage in the area of the line 12 and a fine cleaning for the refor mat in the area of the line 5 .

In Fig. 3 ist nun ein Reaktor 19 erkennbar, welcher eine prinzipiell angedeutete Möglichkeit des Aufbaus aus dem katalytischen Brenner 14, dem Reformer 9 und der selektiven Oxidationsstufe 13 gemäß Fig. 2 dar­ stellt.In Fig. 3, a reactor 19 can now be seen, which represents a principle indicated possibility of construction from the catalytic burner 14 , the reformer 9 and the selective oxidation stage 13 shown in FIG. 2.

Der Reaktor 19 ist dabei in der Art eines Plattenwär­ metauschers aufgebaut, wobei dieser drei voneinander unabhängige Räume, welche sich jeweils aus parallelge­ schalteten Teilräumen aufbauen, aufweist. Die Räume sind in der hier dargestellten Art angeordnet und mit­ einander verschaltet, wobei immer einer der Reformer 9, als endotherm arbeitende Einheit zwischen zwei der wärmeliefernden, exotherm arbeitenden Einheiten, also der Einrichtung zur selektiven Oxidation 13 und/oder dem katalytischen Brenner 14, angeordnet ist. In dem Reaktor wird sich dabei ein über die einzelnen Räume entsprechend verlaufendes Temperaturprofil einstellen, so daß die ideale Versorgung der Komponenten mit ihrer jeweils günstigsten Temperatur gewährleistet bleibt.The reactor 19 is constructed in the manner of a plate heat exchanger, this having three independent rooms, each of which is made up of sub-rooms connected in parallel. The rooms are arranged and interconnected in the manner shown here, with one of the reformers 9 , as an endothermic unit, always being arranged between two of the heat-supplying, exothermic units, i.e. the device for selective oxidation 13 and / or the catalytic burner 14 is. A temperature profile running across the individual rooms will be set in the reactor so that the ideal supply of the components with their most favorable temperature remains guaranteed.

Selbstverständlich wäre es hier denkbar, einen Aufbau zu realisieren, welcher sich analog zu dem Aufbau ge­ mäß Fig. 1 orientiert, und in welchem in dem einen Be­ reich des Reaktors Reformer 9 und selektive Oxidati­ onsstufen 13 angeordnet sind, wobei in dem anderen Be­ reich des Reaktors dann Reformer 9 bzw. 11 und kataly­ tische Brenner 14 angeordnet sein könnten. Die Ver­ schaltung der einzelnen Teilkammern untereinander müß­ te sich hier entsprechend anpassen.Of course, it would be conceivable here to implement a structure which is oriented analogously to the structure according to FIG. 1 and in which in one area of the reactor reformer 9 and selective oxidation stages 13 are arranged, in the other area being rich of the reactor then reformer 9 or 11 and catalytic burner 14 could be arranged. The interconnection of the individual subchambers with each other would have to adapt accordingly here.

Neben der sehr günstigen Ausführungsform bei der Ver­ wendung eines derartigen Reaktors 19 hinsichtlich des Platzbedarfs in der Vorrichtung zur Erzeugung des was­ serstoffhaltigen Gases ergibt sich ein sehr guter Wir­ kungsgrad des Systems, insbesondere dann, wenn ein An­ odenlambda der Brennstoffzelle 1 aufgrund entsprechen­ der Betriebszustände nicht an den Energiebedarf des Verdampfers 7 angepaßt werden kann oder darf.In addition to the very favorable embodiment when using such a reactor 19 in terms of the space required in the device for generating what was hydrogen-containing gas, there is a very good efficiency of the system, particularly when an anode lambda of the fuel cell 1 does not correspond to the operating conditions can or may be adapted to the energy requirements of the evaporator 7 .

Außerdem ist insgesamt in dem System ein kleinerer Re­ former 9, 11 bzw. eine geringere Belastung des in dem Reformer 9, 11 vorliegenden Katalysators möglich, da im Bereich der selektiven Oxidationsstufe 13 weniger Wasserstoff zur Bereitstellung der Energie umgesetzt werden muß. Da dieser Wasserstoff also nicht im Be­ reich des Reformers 9, 11 erzeugt werden muß, kann au­ ßerdem der Energiebedarf des Gesamtsystems reduziert werden, da für die Erzeugung dieses Wasserstoffs in dem endotherm arbeitenden Reformer 9, 11 eine nicht unerhebliche Menge an Energie notwendig wäre.In addition, overall a smaller reformer 9 , 11 or a lower load on the catalyst present in the reformer 9 , 11 is possible in the system, since less hydrogen has to be converted to provide the energy in the area of the selective oxidation stage 13 . Since this hydrogen therefore does not have to be generated in the area of the reformer 9 , 11 , the energy requirement of the overall system can also be reduced, since a not inconsiderable amount of energy would be necessary for the production of this hydrogen in the endothermic reformer 9 , 11 .

Insbesondere beim Kaltstart des Systems kann bei der Verwendung des Reaktors 19 eine direkte Aufheizung des Reformers 9 und der selektiven Oxidationsstufe 13 über den Brenner 14 erfolgen, was sich sehr günstig auf die Zeit bis zum möglichen Start des Gaserzeugungssystem und auf die in diesem Zeitraum erzeugten Emissionen auswirkt. Außerdem kann in diesem Fall die in dem hei­ ßen Gasstrom enthaltene Energie weitaus besser genutzt werden, da sie nicht "nur" zum Aufheizen des Verdamp­ fers 7 genutzt wird, sondern auch zum Aufheizen des Reaktors 19. Als Konsequenz aus diesem sehr günstigen Verhalten hinsichtlich des Kaltstarts kann auf die Verwendung von kaltstartfähigen Reformierungskomponen­ ten, wie die beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannte partielle Oxidationsstufe, zur Erzeugung ei­ nes wasserstoffhaltigen Gases verzichtet werden, so daß Systemkosten, Systemgewicht und Bauraum des Sy­ stems weiter verbessert werden können.In particular, when the system is cold started, when the reactor 19 is used, the reformer 9 and the selective oxidation stage 13 can be heated directly via the burner 14 , which is very favorable for the time until the gas generation system can be started and for the emissions generated in this period effect. In addition, the energy contained in the hot gas stream can be used much better in this case, since it is used "not only" for heating the evaporator 7 , but also for heating the reactor 19 . As a consequence of this very favorable behavior with regard to cold starting, the use of cold-startable reforming components, such as the partial oxidation stage known for example from the prior art, for generating a hydrogen-containing gas can be dispensed with, so that system costs, system weight and installation space of the system can be further improved.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhalti­ gen Gases aus einem Kohlenwasserstoff, zur Versor­ gung einer Brennstoffzelle insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Verdampfer, wenigstens einem Reformer, wenigstens einem kata­ lytischen Brenner und wenigstens einer Einrichtung zur selektiven Oxidation von in dem wasserstoff­ haltigen Gas enthaltenen Kohlenmonoxid, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (13) zur selektiven Oxidation und der wenigstens eine katalytische Brenner (14) ei­ nen wärmeübertragenden Kontakt zu dem wenigstens einen Reformer (9, 11) aufweisen, wobei das Brenn­ gas für den katalytischen Brenner (14) Abgase aus einem Kathoden- (2) und/oder Anodenraum (3) der Brennstoffzelle (1) aufweist.1. Device for generating a hydrogen-containing gas from a hydrocarbon, for supplying a fuel cell, in particular in a motor vehicle, with at least one evaporator, at least one reformer, at least one catalytic burner and at least one device for the selective oxidation of gas in the hydrogen-containing gas Contained carbon monoxide, characterized in that the device ( 13 ) for selective oxidation and the at least one catalytic burner ( 14 ) have a heat-transferring contact with the at least one reformer ( 9 , 11 ), the combustion gas for the catalytic burner ( 14 ) Exhaust gases from a cathode ( 2 ) and / or anode space ( 3 ) of the fuel cell ( 1 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformer (9), die Einrichtung (13) zur selek­ tiven Oxidation und der katalytische Brenner (14) in einem in der Art eines Plattenwärmetauschers aufgebauten Reaktor (19) angeordnet sind. 2. Device according to claim 1, characterized in that the reformer ( 9 ), the device ( 13 ) for selective oxidation and the catalytic burner ( 14 ) are arranged in a reactor constructed in the manner of a plate heat exchanger ( 19 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktor (13) die Räume für den Reformer (9), die Einrichtung (13) zur selektiven Oxidation und den katalytischen Brenner (14) jeweils paral­ lel zueinander in der Art angeordnet sind, daß sich an jeden der Reformer (9) auf der einen Seite eine der Einrichtungen (13) zur selektiven Oxida­ tion und auf der anderen Seite einer der katalyti­ schen Brenner (14) in einem wärmeleitenden Kontakt anschließt.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that in the reactor ( 13 ) the spaces for the reformer ( 9 ), the device ( 13 ) for selective oxidation and the catalytic burner ( 14 ) are each arranged in parallel to each other in kind that that each of the reformers ( 9 ) on one side one of the devices ( 13 ) for selective oxida tion and on the other side one of the catalytic burner ( 14 ) in a thermally conductive contact. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformer in zwei Teilreformer (9, 11) aufge­ teilt ist, wobei der in Strömungsrichtung eines von dem Verdampfer (7) kommenden Gasstroms erste Teilreformer (9) einen wärmeübertragenden Kontakt mit der Einrichtung (13) zur selektiven Oxidation aufweist, und wobei der sich in Strömungsrichtung der Gase an den ersten der Teilreformer (9) an­ schließende zweite Teilreformer (11) einen wärme­ übertragenden Kontakt mit dem katalytischen Bren­ ner (14) aufweist.4. Device according to claim 1, characterized in that the reformer into two sub-reformer (9, 11) be divided is the first in the flow direction of a coming from the evaporator (7) gas stream part reformer (9) a heat transferring contact with said means ( 13 ) for selective oxidation, and wherein the in the direction of flow of the gases to the first of the partial reformer ( 9 ) to the closing second partial reformer ( 11 ) has a heat-transferring contact with the catalytic burner ( 14 ). 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abgas aus der Brennstoffzelle (1) bei Bedarf weiterer Brennstoff (18) zuführbar ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the exhaust gas from the fuel cell ( 1 ), if necessary, further fuel ( 18 ) can be supplied. 6. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in Form des Kohlenwasserstoffes zuführbar ist.6. The device according to claim 6, characterized in that the fuel can be supplied in the form of the hydrocarbon  is. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Einrichtung (13) zur selektiven Oxi­ dation und der Brennstoffzelle (1) eine Einrich­ tung zur Feinreinigung der Gase angeordnet ist.7. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that a device for fine cleaning of the gases is arranged between the device ( 13 ) for selective oxi dation and the fuel cell ( 1 ). 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Abgase des wenigstens einen katalyti­ schen Brenners (14) der Verdampfer (7) beheizbar ist.8. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the evaporator ( 7 ) can be heated by the exhaust gases of the at least one catalytic burner ( 14 ).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2899020A1 (en) * 2006-03-24 2007-09-28 Renault Sas HIGH-PERFORMANCE FUEL CELL SYSTEM
DE102008009063A1 (en) * 2008-02-13 2009-08-20 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Fuel cell system for use in motor vehicle i.e. commercial vehicle, has gas burner for burning hydrogenous anode exhaust gas, and oxidation catalyst provided with mixer structure for mixing gas flowing through oxidation catalyst
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