DE10136768A1

DE10136768A1 - Brennstoffzellenanlage mit zwei Umformeinheiten zur katalytischen Dekomposition

Info

Publication number: DE10136768A1
Application number: DE10136768A
Authority: DE
Inventors: Norbert Breuer; Oliver Marquardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-07-28
Also published as: US20030031901A1; FR2828012A1; NL1021167A1; FR2828012B1; CH696014A5; NL1021167C2; US6939634B2; DE10136768B4

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanlage mit wenigstens zwei Umformeinheiten zur katalytischen Dekomposition eines Ausgangsstoffstromes (A, B, C) zu mindestens einem Zwischenprodukt und einem wasserstoffreichen Brennstoffstrom (A, B, C) einer Brennstoffzelleneinheit, wobei jede Umformeinheit wenigstens in einer ersten Betriebsphase den Ausgangsstoffstrom (A, B, C) und in einer zweiten Betriebsphase das Zwischenprodukt mit einem Hilfsstoffstrom (A, B, C) zu einem Endproduktstrom (A', B', C') umformt, vorgeschlagen, die die kontinuierliche Erzeugung eines wasserstoffreichen Brennstoffstromes (A, B, C) aus Kohlenwasserstoffen (A, B, C) für mobile und/oder stationäre Brennstoffzellenanwendungen weiterbildet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens eine Wärmetauschereinheit (4) zum Austauschen von Wärme zwischen den Umformeinheiten vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit wenigstens zwei Umformeinheiten zur katalytischen Dekomposition nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Brennstoffzellen bieten die Möglichkeit, chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Derzeit bevorzugte Brennstoffzellen verbrauchen Wasserstoff und Sauerstoff und setzen diese Elemente in das umweltschonende Endprodukt Wasser um.

Für Brennstoffzellenanwendungen werden seit Jahren vor allem Verfahren der partiellen Oxidation, autothermen Reformierung sowie der Dampfreformierung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gasstromes aus Kohlenwasserstoffen eingesetzt. Hierbei sind Gasreinigungsstufen vorzusehen, um den Kohlenmonoxidgehalt im Gasstrom beispielsweise für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle bis auf etwa 100 ppm zu reduzieren. Im Allgemeinen werden hierfür mehrere Prozessstufen vorgesehen, so dass ein nicht unerheblicher Prozessaufwand bzw. konstruktiver Aufwand erforderlich ist. Dies bedingt zudem relativ hohe Kosten zur Verfahrensentwicklung, Fertigung sowie ein vergleichsweise hoher Wartungsbedarf der gesamten Anlage.

Vor allem zur Rußerzeugung ist seit Jahren das Verfahren der sogenannten katalytischen Dekomposition gebräuchlich. Bei der katalytischen Dekomposition werden Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan oder dergleichen, vor allem zu Wasserstoff und Kohlenstoff in Form von Ruß umgesetzt. Diese Reaktion läuft bevorzugt bei niedrigen Drücken ab und findet meist heterogen katalysiert statt, um die endotherme Dekompositionsreaktion gemäß Gleichung 1 zu beschleunigen:

CH₄ ↔ C (s) + 2 H₂; ΔH(1000 K) = +89,8 kJ/mol(CH₄) (1)

Sofern keine kontinuierliche Rußentfernung gewährleistet ist, muss der sich nach Gleichung 1 im Reaktor ablagernde Kohlenstoff periodisch entfernt werden, um die Bedeckung des Katalysators mit Ruß abzubauen bzw. zu entfernen. Das heißt, dass in einer ersten Betriebsphase das wasserstoffreiche Gasgemisch erzeugt und in einer zweiten Betriebsphase der Ruß weitgehend entfernt wird, um unter anderem ein Verstopfen des Reaktors zu verhindern.

Die Entfernung des Rußes wird beispielsweise mittels Oxidationsreaktionen gemäß Gleichungen 2 und 3 realisiert:

C(s) + 0,5 O₂ ⇐ CO; ΔH(1000 K) = -112,0 kJ/mol(CO) (2)

CO + 0,5 O₂ ⇐ CO₂; ΔH(1000 K) = -282,9 kJ/mol(CO₂) (3)

Alternativ kann die Rußoxidation durch einen wasserdampfhaltigen Fluidstrom erfolgen:

C(s) + H₂O ⇐ H₂ + CO₂ + CH₄; ΔH(298 K) = -132 kJ/mol (4)

Wie Forschungsarbeiten zeigen, kann ein effizienter Rußabbau erreicht werden. Industriell wird diese Reaktion zum Rußabbrand bei Dampfreformierungsprozessen eingesetzt, bei Zugabe eines sauerstoffhaltigen Gases, gemäß Gleichungen (2) bzw. (3) läuft der Abbrand noch leichter ab.

Bislang wird die katalytische Dekomposition für Brennstoffzellenanwendungen lediglich im Labormaßstab umgesetzt (vgl. Poirier, M. G. (1997): "Catalytic decomposition of natural gas to hydrogen for fuel cell applications", Int. J. Hydrogen Energy 22 (4); 429-433). Hierbei wird insbesondere die periodische Oxidation der Rußablagerungen unter Umschaltung zwischen zwei getrennten Reaktoren untersucht.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanlage mit wenigstens zwei Umformeinheiten zur katalytischen Dekomposition vorzuschlagen, die die kontinuierliche Erzeugung eines wasserstoffreichen Brennstoffstromes aus Kohlenwasserstoffen für mobile und/oder stationäre Brennstoffzellenanwendungen weiterbildet.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Brennstoffzellenanlage der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage dadurch aus, dass wenigstens eine Wärmetauschereinheit zum Austausch von Wärme zwischen den Umformeinheiten vorgesehen ist.

Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Wärmetauschereinheit kann insbesondere die durch die Oxidationsreaktionen gemäß Gleichungen 2 und 3 freigesetzte Wärme für die endotherme Dekompositionsreaktion gemäß Gleichung 1 verwendet werden. Gegebenenfalls kann alternativ oder in Kombination hierzu Wärmeenergie einer Heizeinheit oder dergleichen mittels der Wärmetauschereinheit gemäß der Erfindung entsprechend verwendet werden.

Eine erfindungsgemäße Wärmetauschereinheit ermöglicht zum einen eine vorteilhafte Energieverwertung vorzugsweise zwischen zwei oder mehr Umformeinheiten, wobei die Dekompositionsreaktion und die Oxidationsreaktionen wenigstens teilweise zeitlich parallel in räumlich bzw. stofflich getrennten Reaktoren bzw. Umformeinheiten ablaufen. Hierdurch ist eine effiziente Integration der Wärmeenergien möglich.

Vorteilhafterweise ist die Betriebstemperatur während der ersten Betriebsphase in der entsprechenden Umformeinheit durch die Erwärmung mittels der anderen Umformeinheit vergleichsweise hoch, wodurch die Dekompositionsreaktion thermodynamisch in vorteilhafter Weise erfolgen kann.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens die Umformeinheiten und die Wärmetauschereinheit als eine Baueinheit ausgebildet, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Mit dieser Maßnahme kann eine besonders kompakte Umsetzung der Erfindung realisiert werden. Eine relativ kompakte Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung ist besonders für Anwendungen geeignet, bei denen ein vergleichsweise geringes Volumen von Vorteil ist, wie beispielsweise für mobile oder stationäre Brennstoffzellenanwendungen.

Vorzugsweise ist wenigstens eine Spülvorrichtung zum Spülen der Umformeinheiten mit einem Spülstoffstrom vorgesehen. Beispielsweise wird als Spülstoff ein chemisch inertes Fluid, wie Stickstoff oder Verbrennungsabgase, beispielsweise aus der Brennstoffzelleneinheit, oder dergleichen verwendet.

In vorteilhafter Weise wird mittels der Spülvorrichtung in einer dritten Betriebsphase zwischen der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase einer Umformeinheit gespült, vorzugsweise nach der ersten, Wasserstoff erzeugenden Betriebsphase. Die Spülphase zwischen den beiden Betriebsphasen der Umformeinheiten gewährleistet, dass die Gefahr einer nachteiligen sogenannten Knallgasreaktion entscheidend verhindert bzw. beseitigt wird, d. h. die unkontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff unter Freisetzung relativ hoher Energie verhindert werden kann. Diese Maßnahme führt insbesondere dazu, das die Betriebssicherheit der Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung wesentlich erhöht wird.

Alternativ oder in Kombination mit einer Spülvorrichtung kann die Geometrie der fluidführenden Leitungen so ausgebildet sein, dass der Bedarf einer Spülung reduziert oder gänzlich wegfallen kann. Dies ist dann der Fall, wenn die fluidführenden Leitungen von ihrer Querschnittsfläche so ausgebildet sind, dass die notwendige Zündenergie zur Explosion aufgrund niedriger Leitungsquerschnitte nicht erreicht werden kann. Die Querschnittsfläche zur Führung eines Fluids kann sich dabei in vorteilhafter Weise auf mehrere geometrisch voneinander getrennte Querschnitte verteilen, um die Druckverluste im System gering zu halten.

Alternativ oder in Kombination zur Spülvorrichtung gemäß der Erfindung ist in vorteilhafter Weise wenigstens eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Umformeinheiten mit einem Kühlstoffstrom vorgesehen. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann beispielsweise eine relativ große Temperaturabsenkung in einer einzelnen oder mehreren Umformeinheiten realisiert werden, so dass die Produktion des wasserstoffreichen Brennstoffs in den entsprechenden Umformeinheiten gezielt reduziert bzw. gestoppt werden kann. Hierdurch kann unter Umständen die Notwendigkeit einer Inertisierung zwischen den beiden Betriebsphasen, d. h. einer Spülung mit dem oben erwähnten Spülstoffstrom, entfallen.

Generell kann das Kühlen der Umformeinheiten mit dem Kühlstoffstrom in einer dritten bzw. vierten Betriebsphase der Umformeinheiten erfolgen. Gegebenenfalls kann die Kühlvorrichtung zugleich als Spülvorrichtung ausgebildet werden, so dass abzuführende Wärme und restliches wasserstoffreiches Reformat aus der entsprechenden Umformeinheit ausgetragen werden kann.

Vorteilhafterweise kann eine Kühlvorrichtung verwendet werden, die eine stoffliche Trennung des Kühlstoffstroms mit den anderen Stoffströmen wie des Ausgangsstoffstromes, des Hilfsstoffstroms und/oder des Spülstoffstroms realisiert. Hierfür können Kühlelemente wie Kühlwindungen, Kühlkanäle oder dergleichen vorgesehen werden. Bevorzugt sind die Kühlkanäle oder dergleichen wie die Umformeinheiten ausgebildet.

Als Kühlmedium der Kühlvorrichtung kann beispielsweise Luft, Wasser, verschiedene Solen, der Hilfsstoffstrom, der Ausgangsstoffstrom und/oder der Spülstoffstrom vorgesehen werden. Insbesondere die Verwendung der Betriebsstoffströme ermöglicht eine vorteilhafte Vorwärmung dieser, so dass gegebenenfalls die Dekompositionsreaktion als auch die Oxidationsreaktionen in vorteilhafter Weise beschleunigt bzw. verbessert werden. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Betriebsweise der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage. Vorteilhafterweise kann hierdurch das dynamische Verhalten bei der Erzeugung des wasserstoffreichen Brennstoffstromes wesentlich verbessert werden, was insbesondere bei mobilen Brennstoffzellenanwendungen von Vorteil ist.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist wenigstens eine ansteuerbare Verteilereinheit zum zeitunabhängigen Verteilen zuzuführender Stoffströme auf die einzelnen Umformeinheiten bzw. Kühlvorrichtung vorgesehen. Hierdurch wird ermöglicht, dass die zuzuführenden Stoffströme, d. h. der Ausgangsstoffstrom, Hilfsstoffstrom, Spülstoffstrom und/oder der Kühlstoffstrom, diese jeweils getrennt und zeitunabhängig, auf die gegebenenfalls einzelnen Umformeinheiten bzw. die Kühlvorrichtung verteilt werden. Diese Maßnahme ermöglicht insbesondere verschieden lange Betriebsphasen der jeweiligen Umformeinheiten bzw. der Kühlvorrichtung, so dass eine vorteilhafte Anpassung der verschiedensten Betriebsphasen bzw. vorgesehenen Reaktionen an den Bedarf bzw. den Betrieb der Brennstoffzellenanlage realisierbar ist.

Beispielsweise wird eine vergleichsweise kurze Spülphase zum Spülen der Umformeinheiten vorgesehen. Die zweite Betriebsphase bzw. die Oxidationsreaktionen können mit Hilfe der entsprechenden Verteilereinheit zeitlich an die Reduzierung des Rußes bzw. weitgehend vollständige Beseitigung des Rußes in der entsprechenden Umformeinheit angepasst werden.

Darüber hinaus kann die Erzeugung des wasserstoffreichen Brennstoffstromes für die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise bei Bedarf dadurch entscheidend erhöht werden, dass mehrere bzw. möglicherweise nahezu alle Umformeinheiten wenigstens während einer vergleichsweise kurzen Dauer wasserstoffreichen Brennstoff erzeugen.

Vorzugsweise umfasst die Verteilereinheit wenigstens ein Verteilerelement zum Verteilen eines zuzuführenden Stoffstromes auf die Kühlvorrichtung bzw. mehrere Umformeinheiten. In vorteilhafter Weise wird jeweils ein entsprechendes Verteilerelement pro zuzuführenden Stoffstrom vorgesehen. Mit Hilfe dieser Maßnahmen können mehrere bzw. zahlreiche Umformeinheiten und/oder Kühlelemente in jeweils gleicher Betriebsphase betrieben werden. Hierbei ermöglicht das Verteilerelement ein Verteilen des jeweiligen Stoffstroms bevorzugt von einer Sammelleitung oder dergleichen auf die verschiedenen Umformeinheiten bzw. Kühlelemente.

In vorteilhafter Weise ist wenigstens eine ansteuerbare Sammeleinheit zum zeitunabhängigen Sammeln abzuführender Stoffströme von der Kühlvorrichtung bzw. den einzelnen Umformeinheiten vorgesehen. Diese Maßnahme ermöglicht insbesondere das entsprechende Sammeln der jeweils gleichen Stoffströme von mehreren bzw. zahlreichen Umformeinheiten und/oder Kühlelementen bevorzugt in einer Sammelleitung oder dergleichen.

Generell ist die Verteilereinheit bzw. die Sammeleinheit derart gestaltet, dass die Durchströmung insbesondere der Umformeinheiten vor allem während der Dekomposition bzw. ersten Betriebsphase und/oder der Oxidation bzw. zweiten Betriebsphase weitgehend gleichmäßig erfolgt. Hierfür ist die Verteilereinheit vorzugsweise diagonal gegenüber der Sammeleinheit angeordnet.

Vorteilhafterweise ist die Verteiler- und/oder Sammeleinheit direkt in die Umformeinheit integriert. Alternativ können die Verteiler- und/oder Sammeleinheit zur Vereinfachung der Fertigung von der Umformeinheit getrennt gefertigt und nach außen fluiddicht gefügt werden.

Vorzugsweise umfasst die Sammeleinheit wenigstens ein Sammelelement zum Sammeln eines abzuführenden Stoffstromes von der Kühlvorrichtung bzw. mehreren Umformeinheiten.

Entsprechend dem oben erwähnten Verteilerelement ist ein entsprechendes Sammelelement bzw. jeweils ein Sammelelement pro abzuführendem Stoffstrom vorgesehen, so dass beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer Kühlelemente bzw. Umformeinheiten in der gleichen Betriebsphase ein vorteilhaftes Sammeln einzelner, vergleichsweise kleiner Stoffströme zu einem relativ großen Stoffstrom vorgesehen werden. Der relativ große, wasserstoffreiche Stoffstrom ist in vorteilhafterweise beispielsweise der Brennstoffzelleneinheit mit einer Sammelleitung oder dergleichen zuzuführen.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung sind mehrere Kühlelemente bzw. Umformeinheiten mittels dem Verteilerelement bzw. Sammelelement zu einer Gruppe zusammengefasst, wobei jede Umformeinheit bzw. jedes Kühlelement dieser Gruppe vom gleichen Stoffstrom durchströmt ist. Das heißt, dass diese sich in der gleichen Betriebsphase befinden.

Beispielsweise wird eine erste Gruppe in der ersten Betriebsphase, eine zweite Gruppe in der zweiten Betriebsphase, eine dritte Gruppe in der Spülphase und/oder eine vierte Gruppe in der Kühlphase betrieben. Gemäß der Erfindung weisen die verschiedenen Betriebsphasen eine unterschiedliche Betriebsdauer auf, wobei einzelne Betriebsphasen unter bestimmten Betriebsbedingungen vollständig entfallen können. Vorzugsweise ist die Summe der Betriebsdauern jeder Gruppe bzw. jeder Umformeinheit gleich, wobei die Kühlvorrichtung hiervon gegebenenfalls auszunehmen ist.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weisen die Umformeinheiten oberflächenvergrößernde Strukturen auf. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird eine vorteilhafte Verbesserung der in den Umformeinheiten bzw. Reaktoren stattfindenden Reaktionen realisierbar. Beispielsweise kann das vorzusehende katalytisch aktive Material gegebenenfalls galvanisch auf einer Trägerstruktur der jeweiligen Umformeinheit aufgebracht werden.

Vorzugsweise weist die Trägerstruktur der Umformeinheit eine relativ raue Oberfläche auf, wodurch die effektive Oberfläche der Umformeinheit wesentlich vergrößert wird. Beispielsweise wird die Oberfläche der Umformeinheit bei Verwendung von Metallen als Grundwerkstoff insbesondere mittels Ätzverfahren oder dergleichen aufgeraut.

Alternativ kann der Katalysatorträger aus einer röhrenförmigen Filamentstruktur bestehen, die in eine ummantelnde Geometrie eingebracht wird. Die Filamente, beispielsweise aus SiO₂ können mit einer porösen keramischen Deckschicht ummantelt sein, in die das katalytisch aktive Metall eingebracht ist.

Grundsätzlich wird als katalytisch aktives Material der Umformeinheiten vorzugsweise Palladium, Rhodium, Nickel und/oder Kobalt als Metall oder Legierung verwendet.

Im Wesentlichen werden als Werkstoff der erfindungsgemäßen Wärmetauschereinheit hochtemperaturbeständige Werkstoffe wie Metalllegierungen, Metalle und/oder Keramiken verwendet.

Vorzugsweise sind die oberflächenvergrößernden Strukturen als Röhrenelemente, Wabenelemente und/oder Kanalelemente insbesondere mit quadratischem bzw. rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Beispielsweise umfasst eine Umformeinheit zahlreiche einzelne Röhrenelemente bzw. weist zahlreiche Kanäle oder dergleichen auf, durch die die zuzuführenden Stoffströme strömen. Alternativ oder in Kombination hierzu könnten die Umformeinheiten als vergleichsweise kleine Röhrenelemente bzw. Wabenelemente oder dergleichen ausgebildet werden. Gegebenenfalls weisen diese Umformeinheiten bzw. Reaktoren einen hydraulischen Durchmesser vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 5 mm auf.

Der Strukturquerschnitt ergibt sich als Optimum zwischen Druckverlustcharakteristik unter Berücksichtigung verschiedener Betriebszustände (Rußbildung), effizienter Wärmeabfuhr zur Vermeidung von Überhitzungen und unerwünscht großen Temperaturgradienten sowie aus der entgegenstehenden Forderung eines großen Oberfläche/Volumen-Verhältnisses aufgrund der heterogen katalysierten Reaktionen.

Gegebenenfalls sind diese vergleichsweise kleinen Umformeinheiten als Kanäle ausgebildet, die z. B. aus Röhren, Waben, Folien, insbesondere mit einer katalytisch aktiven Belegung bzw. aus katalytisch aktivem Material realisiert werden.

Generell werden die vergleichsweise kleinen Umformeinheiten im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Bei einer Strömungsführung der Wärmetauschereinheit gemäß der Erfindung im Kreuzstrom werden die Umformeinheiten bzw. Gruppen von Umformeinheiten alternativ nahezu senkrecht zueinander ausgerichtet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Volumen einer Umformeinheit um ein Vielfaches kleiner als ein Volumen der Baueinheit. Hierdurch wird gewährleistet, dass vergleichsweise zahlreiche, kleine Umformeinheiten bzw. Reaktoren ausgebildet werden, die insbesondere ein relativ gutes dynamisches Verhalten bzw. relativ schnelle Wechsel der einzelnen Betriebsphasen ermöglicht. Vor allem die Spülphase kann auf Grund des relativ geringen Volumens der Umformeinheiten vergleichsweise kurz ausgeführt werden, wobei im Allgemeinen ein relativ geringes Spülvolumen des Spülstoffsstromes notwendig ist.

Vorzugsweise wird vor allem der Endproduktstrom bzw. gegebenenfalls auch der Spülstoffstrom einer Nachbehandlung zugeführt. Beispielsweise kann mittels einer Gasreinigungsstufe oder dergleichen eine Wiederverwendung des Hilfsstoffstroms bzw. Spülstoffstroms vorgesehen werden.

Alternativ oder in Kombination hierzu kann auch eine Heizeinheit den entsprechenden Spülströmen nachgeschaltet werden, wobei insbesondere mittels einer katalytischen Nachverbrennung die Oxidationsprodukte Kohlenmonoxid sowie der Luftinhaltsstoff Sauerstoff zur Energienutzung in einer Verbrennung unterzogen werden. Die hierdurch gewonnene Heizenergie kann wiederum mittels der Wärmetauschereinheit gemäß der Erfindung zu einer vorteilhaften Verwertung, insbesondere für die katalytische Dekomposition, verwendet werden.

Vorteilhafterweise werden die Stoffströme kontinuierlich durch die Umformeinheiten bzw. Reaktoren geführt. Eine gezielte diskontinuierliche Strömungsführung der Stoffströme ist ebenfalls denkbar, um eine definierte Abkühlung bestimmter Reaktorbereiche oder dergleichen zu ermöglichen, so dass vor allem die Erzeugung des wasserstoffreichen Brennstoffstromes gezielt gesteuert bzw. verbessert und/oder gestoppt werden kann.

Generell kann die Wärmetauschereinheit als Plattenwärmetauschereinheit oder dergleichen realisiert werden, wobei beispielsweise jede Lage bzw. Platte als eine Gruppe von gleich zu betreibenden Umformeinheiten bzw. Reaktoren auszubilden ist. Alternativ oder zugleich können Wärmetauscher und Reaktoreinheiten auch in gleichen Lagen kombiniert werden.

Grundsätzlich ist sowohl die Verteilereinheit als auch die Sammlereinheit derart auszubilden, dass eine weitgehend gleichmäßige Verteilung bzw. Sammlung der Stoffströme auf bzw. von den Umformeinheiten und/oder den Kühlelementen gewährleistet wird. Dementsprechend sind diese Einheiten strömungstechnisch vorteilhaft auszubilden.

Allgemein können als Ausgangsstoff verschiedenste Kohlenwasserstoffe bzw. Kohlenwasserstoffgemische wie z. B. Benzin, Diesel, Methan sowie Alkohole, insbesondere Methanol, Ethanol, oder dergleichen, verwendet werden. Vorzugsweise werden gasförmige Ausgangsstoffe bzw. Aerosole verwendet. Bevorzugt sind Ausgangsstoffe mit einem geringen Anteil an höher molekularen Verbindungen vorzusehen.

In vorteilhafter Weise ist eine Steuer- bzw. Regeleinheit vorgesehen, die insbesondere zur Steuerung bzw. Regelung der Strömungsführung der Stoffströme ermöglicht, vor allem in Abhängigkeit mit dem Bedarf der Brennstoffzelleneinheit. Eine vorteilhafte Anpassung vor allem der Erzeugung des wasserstoffreichen Brennstoffstromes an die Brennstoffzelleneinheit bzw. bei mobilen Anwendungen an das Fahrverhalten kann mittels einer Steuer- bzw. Regeleinheit realisiert werden.

Darüber hinaus kann wenigstens ein Sensor zur Erfassung eines Betriebsparameters der Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung vorgesehen werden. Beispielsweise wird die Temperatur einzelner Umformeinheiten bzw. einzelner Gruppen, die Durchflussmenge einzelner bzw. aller Stoffströme, insbesondere die Menge des wasserstoffreichen Brennstoffstroms zur Brennstoffzelleneinheit, die Qualität bzw. die Zusammensetzung eines Stoffstroms, ein Maß der Belegung oder dergleichen ermittelt. Diese Betriebsparameter werden vor allem zur vorteilhaften Betriebsweise der Brennstoffzellenanlage bzw. der Brennstoffzelleneinheit mittels der Steuer- und Regeleinheit verwendet.

Vorzugsweise ist eine Betriebstemperatur der Umformeinheiten bzw. der Reaktoren zwischen 400 und 800 Grad Celsius. Gegebenenfalls ist vor allem für eine Startphase der Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung eine Heizeinheit vorzusehen. Generell kann hier sowohl eine elektrische Erwärmung, chemische, insbesondere katalytische Verbrennung beispielsweise eines Ausgangsstoffes und/oder eines wasserstoffreichen Gemisches der Brennstoffzellenanlage vorgesehen werden.

Grundsätzlich können die verschiedenen Stoffströme im Gegenstrom, Kreuzstrom und/oder vorzugsweise im Gleichstrom die erfindungsgemäße Wärmetauschereinheit durchströmen.

Generell kann die erfindungsgemäße Wärmetauschereinheit bzw. Baueinheit, die wenigstens zwei Umformeinheiten und die Wärmetauschereinheit umfasst, auch für andere Anwendungen als in einer Brennstoffzellenanlage vorgesehen werden.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der einzigen Figur näher erläutert.
In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau einer Baueinheit 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Die Baueinheit 1 umfasst insbesondere einen Verteiler 2, einen Sammler 3 sowie eine Reaktoreinheit 4.
In nicht näher dargestellter Weise weist der Verteiler 2 sowie der Sammler 3 beispielsweise Verteilerventile sowie Verteilerelemente auf, wodurch eine weitgehend gleichmäßige Verteilung zuzuführender Stoffströme A, B, C bzw. Sammlung abzuführender Stoffströme A', B', C' realisierbar ist.
Die schematisch dargestellte Reaktoreinheit 4 weist insbesondere zahlreiche, vergleichsweise kleine Reaktoren, bzw. Kanäle auf, durch die die Stoffströme A, B, C strömen. Gegebenenfalls sind die Reaktoren bzw. Kanäle derart gestaltet, dass die Umformung der Stoffströme A, B, C und die hierdurch einhergehenden Änderungen entsprechender Betriebsparameter wie Druck oder dergleichen berücksichtigt werden.
Beispielsweise ist der Stoffstrom A der Ausgangsstoffstrom wie z. B. Erdgas, der Stoffstrom B der Hilfsstoffstrom wie z. B. Luft oder nahezu reiner Sauerstoff und der Stoffstrom C ein Spülstoffstrom bzw. Kühlstoffstrom. In dieser Betriebsphase der Baueinheit 1 wird beispielsweise ein entsprechendes Ensemble von Reaktoren bzw. eine Gruppe von Reaktoren mit dem Stoffstrom A, eine zweite Gruppe mit dem Stoffstrom B und eine dritte Gruppe mit dem Stoffstrom C durchströmt.
Aufgrund der Reaktionen bzw. Ausspülen und/oder dem Aufheizen der Stoffströme A, B, C strömen aus der Baueinheit 1 veränderte Stoffströme A', B', C'. In diesem Beispiel ist der Stoffstrom A' der wasserstoffreiche Brennstoffstrom, der Stoffstrom B' der Endproduktstrom, insbesondere reich an Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid, und der Stoffstrom C' das Inertgas bzw. Spülgas, das zusätzlich mit geringen Bestandteilen von Wasserstoff bzw. Sauerstoff und/oder unter bestimmten Betriebsbedingungen gegebenenfalls mit geringen Anteilen an Kohlenstoff versetzt ist, bzw. ist der Stoffstrom C' ein erwärmter Kühlstoffstrom.
Zu einem späteren Zeitpunkt ist beispielsweise der Stoffstrom B als Ausgangsstoffstrom, der Stoffstrom C als Hilfsstoffstrom und der Stoffstrom A als Spül- bzw. Kühlstoffstrom ausgebildet. Dementsprechend sind auch die veränderten Stoffströme A', B', C', als entsprechend andere Stoffströme wie in dem zuvor genannten Beispiel ausgebildet.
Wiederum zu einem spätren Zeitpunkt ist beispielsweise der Stoffstrom C als Ausgangsstoffstrom usw. ausgebildet. Generell können die Betriebsphasen der verschiedenen Gruppen bzw. Reaktoren zeitlich gleichlang und/oder verschieden lang ausgebildet werden. Vorzugsweise erfolgt hierbei eine Anpassung an die Betriebsweise der Brennstoffzelleneinheit oder dergleichen.
In einem besonderen Betriebsfall, bei dem beispielsweise die Brennstoffzelleneinheit einen relativ hohen Bedarf an wasserstoffreichem Brennstoffstrom aufweist, können die Stoffströme A, B, C gleichzeitig bzw. nahezu gleichzeitig als Ausgangsstoffstrom wie Erdgas oder dergleichen ausgebildet sein.
Generell weist die Brennstoffzelleneinheit eine oder mehrere Brennstoffzellen auf. Als Brennstoffzellen können hierfür alle derzeitig üblichen Brennstoffzellentypen bzw. -arten verwendet werden. Vorzugsweise sind bei der Verwendung von Alkoholen als Ausgangsstoff Kohlenmonoxid tolerante Brennstoffzellen vorzusehen, wie beispielsweise derzeitige Hochtemperaturbrennstoffzellen, insbesondere sogenannte "SOFC".
In vorteilhafter Weise können bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Benzin oder dergleichen Brennstoffzellen verwendet werden können, die gegenüber Kohlenmonoxid Vergiftungserscheinungen zeigen, da das Verfahren der katalytischen Dekomposition, dass mittels der Umformeinheiten bzw. Reaktoren realisiert wird, weitestgehend kohlenmonoxidfreies, wasserstoffreiches Brennstoffstromgemisch erzeugt wird und nachgeschaltete, vergleichsweise aufwendige Brennstoffstromreinigungsstufen entbehrlich werden. Entsprechende Brennstoffzellen sind beispielsweise derzeit sogenannte "Niedertemperaturbrennstoffzellen", wie PEM-Brennstoffzellen oder ähnliche.
Gegebenenfalls kann in bestimmten Anwendungsfällen auch eine Nachreinigung des erzeugten Brennstoffstromes erfolgen, beispielsweise mittels einer sogenannten Kohlenmonoxid- Methanisierung oder dergleichen:
Da der Co₂-Anteil im wasserstoffreichen Brennstoffstrom bei dem Verfahren der vorgeschlagenen katalytischen Dekomposition während der Zersetzungsphase vernachlässigbar ist, läuft die unerwünschte Nebenreaktion b) nur unwesentlich ab. Dieses stellt einen weiteren Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren der partiellen Oxidation, autothermen Reformierung, Dampfreformierung dar, bei denen ein Methanisierungs- Prozessschritt zu Verlusten der Wasserstoffkonzentration gemäß Gleichung b) führen kann. Ein weiterer Vorteil gegenüber den üblicherweise eingesetzten Verfahren der selektiven Oxidation zur CO-Feinreinigung besteht darin, dass der CO-Feinreinigungsstufe kein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden muss. Bezugszeichenliste 1 Baueinheit
2 Verteiler
3 Sammler
4 Reaktoreinheit
A, A' Stoffstrom
B, B' Stoffstrom
C, C' Stoffstrom

Claims

1. Brennstoffzellenanlage mit wenigstens zwei Umformeinheiten zur katalytischen Dekomposition eines Ausgangsstoffstromes (A, B, C) zu mindestens einem Zwischenprodukt und einem wasserstoffreichen Brennstoffstrom (A, B, C) einer Brennstoffzelleneinheit, wobei jede Umformeinheit wenigstens in einer ersten Betriebsphase den Ausgangsstoffstrom (A, B, C) und in einer zweiten Betriebsphase das Zwischenprodukt mit einem Hilfsstoffstrom (A, B, C) zu einem Endproduktstrom (A', B', C') umformt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wärmetauschereinheit (4) zum Austauschen von Wärme zwischen den Umformeinheiten vorgesehen ist.

2. Brennstoffzellenanlage nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Umformeinheiten und die Wärmetauschereinheit (4) als eine Baueinheit (1, 4) ausgebildet sind.

3. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Spülvorrichtung zum Spülen der Umformeinheiten mit einem Spülstoffstrom (A, B, C) vorgesehen ist.

4. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Umformeinheiten mit einem Kühlstoffstrom (A, B, C) vorgesehen ist.

5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine ansteuerbare Verteilereinheit (2) zum zeitunabhängigen Verteilen zuzuführender Stoffströme (A, B, C) auf die einzelnen Umformeinheiten bzw. die Kühlvorrichtung vorgesehen ist.

6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilereinheit (2) wenigstens ein Verteilerelement zum Verteilen eines Stoffstromes (A, B, C) auf die Kühlvorrichtung bzw. mehrere Umformeinheiten umfasst.

7. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine ansteuerbare Sammeleinheit (3) zum zeitunabhängigen Sammeln abzuführender Stoffströme (A, B, C) von den einzelnen Umformeinheiten bzw. von der Kühlvorrichtung vorgesehen ist.

8. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinheit (3) wenigstens ein Sammelelement zum Sammeln eines abzuführenden Stoffstromes (A, B, C) von der Kühlvorrichtung bzw. mehreren Umformeinheiten umfasst.

9. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinheiten oberflächenvergrößernde Strukturen aufweisen.

10. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Strukturen als Röhrenelemente bzw. Wabenelemente oder Kanalelemente ausgebildet sind.

11. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen einer Umformeinheit um ein Vielfaches kleiner als ein Volumen der Baueinheit (4) ist.

12. Verfahren zur katalytischen Dekomposition eines Ausgangsstoffstromes (A, B, C) zu mindestens einem Zwischenprodukt und einem wasserstoffreichen Brennstoffstrom (A, B, C) einer Brennstoffzelleneinheit mit einer Brennstoffzellenanlage, wobei wenigstens zwei Umformeinheiten wenigstens in einer ersten Betriebsphase den Ausgangsstoffstrom (A, B, C) und in einer zweiten Betriebsphase das Zwischenprodukt mit einem Hilfsstoffstrom (A, B, C) zu einem Endproduktstrom (A', B', C') umformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.