DE102005055043A1 - Chemical reactor unit especially for electricity production has at least two channels for different reaction media and channels for temperature control of the media - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion mit Strömungskanälen für Temperier- beziehungsweise Reaktionsmedien. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Scheibenpaket zur Bildung einer solchen Vorrichtung.The The invention relates to a device for carrying out a chemical reaction with flow channels for temperature control or reaction media. Furthermore, the invention relates a disk pack for forming such a device.
Die
Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels derartiger
Vorrichtungen stellt unter Umständen
eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von
elektrischem Strom aus den Betriebsmedien Wasserstoff und Sauerstoff dar.
Dabei finden üblicherweise
zwei räumlich
getrennte Elektrodenreaktionen statt, bei denen Elektronen freigesetzt
bzw. gebunden werden. Ein Beispiel für zwei korrespondierende Elektrodenreaktionen
in einer gattungsgemäßen Vorrichtung
sind folgende Reaktionen:
Bei
anderer Bauart können
beispielsweise auch folgende Reaktionen beobachtet werden:
Andere gattungsgemäße Vorrichtungen weisen zum Teil andere Reaktionen auf. Gemeinsam ist jeweils der Transport einer Spezies in elektrisch nicht-neutraler Form durch einen Elektrolyten und den parallel hierzu verlaufenden Transport von Elektronen durch einen äußeren Leiter, um die Spezies nach dem Transportvorgang in einen elektrisch neutralen Zustand zurückzuversetzen.Other generic devices sometimes have other reactions. Together is each of the Transport of a species in electrically non-neutral form by an electrolyte and the parallel transport of electrons through an outer conductor, around the species after the transport process into an electrically neutral Restore condition.
Durch elektrische Verbindung der räumlich getrennten Reaktionszonen kann ein Teil der dabei umgesetzten Reaktionsenthalpie direkt als elektrischer Strom gewonnen werden. Üblicherweise werden mehrere elektrisch in Serie geschaltete Reaktionseinheiten aufeinandergestapelt und ein solchermaßen gebildeter Stapel als Stromquelle verwendet. Eine einzelne Reaktionseinheit besteht dabei aus einer Elektrolyteinheit, wie Membran, welche die Reaktanden, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff beziehungsweise Wasserstoff/Kohlenmonoxid und Sauerstoff, voneinander trennt und eine Ionenleitfähigkeit, insbesondere eine H+-Protonenleitfähigkeit oder eine O2–-Leitfähigkeit, aufweist, sowie aus zwei mit Katalysatormaterial belegten Elektroden, die unter anderem zum Abgriff des von der Reaktionseinheit erzeugten elektrischen Stroms erforderlich sind.By electrically connecting the spatially separated reaction zones, part of the reaction enthalpy converted thereby can be obtained directly as an electric current. Usually, a plurality of reactors connected electrically in series are stacked on top of one another and a stack formed in this way is used as the current source. A single reaction unit consists of an electrolyte unit, such as membrane, which separates the reactants, in particular hydrogen and oxygen or hydrogen / carbon monoxide and oxygen, and an ionic conductivity, in particular an H + -Prononenleitfähigkeit or O 2- conductivity, as well as of two electrodes coated with catalyst material, which are required inter alia for tapping the electrical current generated by the reaction unit.
Die Reaktanden, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, und das Reaktionsprodukt Wasser sowie gegebenenfalls ein Medium, das zur Abführung von überschüssiger Reaktionswärme dient, strömen durch Fluidkanäle, wobei die Reaktanden nicht notwendigerweise in reiner Form vorliegen müssen. Beispielsweise kann das Fluid auf der Kathodenseite Luft sein, deren Sauerstoff an der Reaktion teilnimmt. Insbesondere bei Verwendung eines wärmeabführenden Mediums wird durch eine thermische Verbindung der jeweiligen Fluidkanäle für einen ausreichenden Wärmeübertrag zwischen den jeweiligen Fluiden gesorgt.The Reactants, for example, hydrogen and oxygen, and the reaction product Water and optionally a medium which serves to dissipate excess heat of reaction, flow through Fluid channels, wherein the reactants need not necessarily be in pure form. For example For example, the fluid on the cathode side may be air, the oxygen of which participate in the reaction. Especially when using a heat dissipating Medium is characterized by a thermal connection of the respective fluid channels for a sufficient Heat transfer provided between the respective fluids.
Reaktanden und Reaktionsprodukte werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Reaktionsmedien bezeichnet. Als Temperiermedium wird ein Medium bezeichnet, das geeignet ist, einer Vorrichtung beziehungsweise einer Reaktionszone Wärme zu- oder abzuführen.reactants and reaction products are within the scope of the present invention referred to as reaction media. The tempering medium is a medium denotes, which is suitable, a device or a reaction zone heat add or remove.
Die in einer gattungsgemäßen Vorrichtung entstehende Abwärme wird gewöhnlich über ein Kühlmedium und einen separaten Kühlkreislauf abgeführt und muss gegen die Umgebung abgegeben werden. Da die Temperaturdifferenz zwischen Vorrichtung und Umgebung üblicherweise geringer ist als bei einem Verbrennungsmotor vergleichbarer Leistung, ist der Kühlungsaufwand bzw. die Kühlergröße trotz höheren Wirkungsgrades oft größer.The resulting in a generic device waste heat usually gets over a cooling medium and a separate cooling circuit dissipated and must be delivered against the environment. Because the temperature difference between device and environment is usually less than in a combustion engine comparable performance, is the cooling effort or the cooler size despite higher Efficiency often larger.
Grundsätzlich kann zwischen gasgekühlten und flüssigkeitsgekühlten Vorrichtungen zur Durchführung einer chemischen Reaktion unterschieden werden. Bei luftgekühlten Vorrichtungen wird der Wärmehaushalt durch Integration von geeigneten Kühlkanälen in einzelne Platten eines Plattenstapels und Durchströmung dieser Kanäle mit einem Luftstrom kontrolliert und die überschüssige Abwärme mit diesem Luftstrom abgeführt wird. Flüssigkeitsgekühlte Vorrichtungen werden hingegen von einem flüssigen Kühlmedium von zumeist hoher Wärmekapazität durchflossen, das die bei der chemischen Reaktion entstehende Abwärme aufnimmt und in einem externen, räumlich von der Vorrichtung getrennten Kühler, der seinerseits meist luftgekühlt ist, an die Umgebung abgibt.Basically between gas-cooled and liquid cooled devices to carry out a chemical reaction can be distinguished. For air-cooled devices becomes the heat balance by integration of suitable cooling channels into individual plates of a Plate stack and flow of these channels controlled with an air flow and the excess heat is removed with this air flow. Liquid cooled devices are, however, of a liquid cooling medium flows through mostly high heat capacity, which absorbs the waste heat generated during the chemical reaction and in an external, spatially cooler isolated from the device, which in turn is mostly air-cooled is to give to the environment.
Aufgrund der relativ geringen Wärmekapazität von Kühlluft und den damit verbundenen relativ großen Volumenströmen ergibt sich bei der luftgekühlten Anordnung die Forderung nach relativ großen, geraden Luftkühlkanälen, um den Druckverlust und damit den energetischen Aufwand für den Kühlluftstrom in Grenzen zu halten. Da die zu kühlenden Reaktionsmedien häufig ebenfalls gasförmig sind und eine spezifische Wärmekapazität ähnlich wie die Kühlluft besitzen, weisen luftgekühlte Vorrichtungen meist einen starken Temperaturgradienten entlang des Kühlluftkanals auf. Hier wird insbesondere der Bereich der aktiven Reaktionszone, der dem Kühllufteintritt am nächsten liegt, besonders stark abgekühlt, während in Bereichen, die nahe dem Kühlluftausgang liegen, kaum noch Wärmeübertragung stattfindet. Es hat sich gezeigt, dass sich das hieraus resultierende inhomogene Temperaturprofil unter Umständen nachteilig für einen effizienten Betrieb der Vorrichtung auswirkt.Due to the relatively low heat capacity of cooling air and the associated relatively large volume flows results in the air-cooled arrangement, the demand for relatively large, straight air cooling ducts to keep the pressure loss and thus the energy cost of the cooling air flow within limits. Since the reaction media to be cooled are often also gaseous and have a specific heat capacity similar to the Cooling air, air-cooled devices usually have a strong temperature gradient along the cooling air duct. Here, in particular, the region of the active reaction zone, which is closest to the cooling air inlet, cooled particularly strong, while in areas that are close to the cooling air outlet, hardly any heat transfer takes place. It has been found that the resulting inhomogeneous temperature profile under certain circumstances adversely affects the efficient operation of the device.
Die flüssigkeitsgekühlte Anordnung ist insbesondere bei der Verwendung von Polymermaterialien für die Elektrolytmembran aufgrund deren Anfälligkeit gegen Kontamination mit Metallionen unter Umständen problematisch. Will man beispielsweise eine flüssigkeitsgekühlte Vorrichtung in Verbindung mit einem bekannten Aluminium-Wärmeübertrager betreiben, ist zur Vermeidung der Kontamination der Polymermembranen die Verwendung eines flüssigen Kühlmediums, das keine Metallionen transportieren kann, beispielsweise ein Wärmeübertrageröl, oder alternativ die Verwendung einer Ionenaustauscherpatrone zur Reinigung des flüssigen Kühlmediums erforderlich. Dadurch ergeben sich Nachteile in Form von geringerer spezifischer Wärmeübertragungsleistung (Wärmeübertrageröl) beziehungsweise in Form von zusätzlichem Systemaufwand (Ionenaustauscherpatrone).The liquid cooled arrangement is especially in the use of polymer materials for the electrolyte membrane due to their vulnerability to Contamination with metal ions may be problematic. Will you For example, a liquid-cooled device operate in conjunction with a known aluminum heat exchanger is to Prevention of contamination of polymer membranes the use a liquid Cooling medium, which can not transport metal ions, such as a heat transfer oil, or alternatively the use of an ion exchange cartridge for cleaning of the liquid cooling medium required. This results in disadvantages in the form of lesser specific heat transfer performance (heat transfer oil) or in the form of additional System cost (ion exchanger cartridge).
Zur Erzeugung des in der Vorrichtung benötigten, wasserstoffhaltigen Betriebsgases, insbesondere bei der Gaserzeugung an Bord von Kraftfahrzeugen, wird auf flüssige Kraftstoffe (beispielsweise Benzin, Diesel, Methanol, etc.) oder gasförmige Kraftstoffe (beispielsweise Erdgas) als Ausgangsbasis zurückgegriffen. Für die Herstellung wasserstoffreichen Gases aus diesen Kraftstoffen sind verschiedene Verfahren bekannt, die im Wesentlichen auf einem oder der Kombination mehrerer der folgenden chemischen Prozesse beruhen:
- a) Zerlegung des Kraftstoffes, beispielsweise durch sogenanntes thermisches Cracken, in seine Ausgangsstoffe, gegebenenfalls über einem Katalysator. Ein Beispiel ist die Reaktion von Oktan: C8H18 → 8C + 9H2.
- b) Partielle Oxidation des Kraftstoffes über einem Katalysator unter Zugabe von (Luft-)Sauerstoff im stöchiometrischen oder unterstöchiometrischen Anteil. Beispiele sind die Reaktionen von Oktan: C8H18 + 8O2 → 8CO2 + 9H2 (stöchiometrisch) beziehungsweise C8H18 + 4O2 → 8CO + 9H2 (unterstöchiometrisch).
- c) Dampfreformierung des Kraftstoffes über einem Katalysator unter Zugabe von Wasser. Ein Beispiel ist die Reaktion von Oktan: C8H18 + 16H2O → 8CO2 + 25H2.
- d) Autotherme Reformierung des Kraftstoffes durch Kombination von partieller Oxidation und Dampfreformierung dahingehend, dass die Energiebilanz der Gesamtreaktion durch Kombination der endothermen Dampfreformierung und der exothermen partiellen Oxidation gerade ausgeglichen wird.
- a) decomposition of the fuel, for example by so-called thermal cracking, in its starting materials, optionally over a catalyst. An example is the reaction of octane: C 8 H 18 → 8C + 9H 2 .
- b) Partial oxidation of the fuel over a catalyst with the addition of (air) oxygen in the stoichiometric or substoichiometric proportion. Examples are the reactions of octane: C 8 H 18 + 8O 2 → 8CO 2 + 9H 2 (stoichiometric) or C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (substoichiometric).
- c) steam reforming of the fuel over a catalyst with the addition of water. An example is the reaction of octane: C 8 H 18 + 16H 2 O → 8CO 2 + 25H 2 .
- d) Autothermal reforming of the fuel by combining partial oxidation and steam reforming to balance the energy balance of the overall reaction by combination of endothermic steam reforming and exothermic partial oxidation.
In der Regel läuft ein solcher Prozess in einem sogenannten Reformer ab, wobei in der Praxis kein Vollumsatz erzielt wird und ein mehr oder weniger hoher Anteil an Kohlenmonoxid im erzeugten Gas verbleibt. Darauffolgend kann durch Einsatz von sogenannten Shiftstufen unter Verwendung der Wassergas-Shiftreaktion (CO + H2O → CO2 + H2) zusätzlicher Wasserstoff zu Lasten der CO-Konzentration unter Verwendung eines geeigneten Katalysators gewonnen werden.In general, such a process takes place in a so-called reformer, whereby in practice no full conversion is achieved and a more or less high proportion of carbon monoxide remains in the gas produced. Subsequently, by employing so-called shift steps using the water gas shift reaction (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ), additional hydrogen can be recovered at the expense of CO concentration using a suitable catalyst.
Zur weitergehenden Reinigung des Gases von CO kann bei Bedarf eine selektive Oxidation über einem hierfür geeigneten Katalysator durchgeführt werden. Hierbei wird das verbleibende Kohlenmonoxid durch Zugabe von (Luft-) Sauerstoff zu Kohlendioxid oxidiert: 2CO + O2 → CO2.For further purification of the gas of CO, selective oxidation can be carried out over a suitable catalyst if necessary. In this case, the remaining carbon monoxide is oxidized by the addition of (air) oxygen to carbon dioxide: 2CO + O 2 → CO 2 .
Zur darüberhinausgehenden Reinigung des Gases von Schwefel bzw. Schwefelverbindungen kann eine passive Adsorption (z.B. an Zeolithen) oder eine katalytische Transformation der im Kraftstoff bzw. Reformat vorhandenen Schwefelverbindungen an einem geeigneten Katalysator bzw. Adsorbens durchgeführt werden. Die Entschwefelung ist grundsätzlich vor der Reformierung (am flüssigen oder verdampften Kraftstoff) oder auch nach der Reformierung (am Reformat) möglich. In letzterem Fall werden die im Reformat verbliebenen Schwefelverbindungen beispielsweise mittels des Vorgangs der HDS (hydro-desulfurization) mit Wasserstoff zur Reaktion gebracht; das resultierende H2S wird dann an einem geeigneten Material (beispielsweise Cu-Zn-Pellets) adsorbiert und damit dem Brenngas entzogen.to beyond that Purification of the gas from sulfur or sulfur compounds can passive adsorption (e.g., on zeolites) or catalytic Transformation of the sulfur compounds present in the fuel or reformate be carried out on a suitable catalyst or adsorbent. The desulphurization is basically before reforming (on the liquid or vaporized fuel) or even after reforming (on the reformate) possible. In the latter case, the remaining in the reformate sulfur compounds for example by means of the process of HDS (hydro-desulfurization) reacted with hydrogen; the resulting H2S becomes then on a suitable material (for example, Cu-Zn pellets) adsorbed and thus removed from the fuel gas.
Üblicherweise
finden viele oder alle dieser Prozesse in jeweils hierfür spezifisch
ausgebildeten Vorrichtungen statt. Einen schematischen Überblick über die
Architektur eines Brennstoffzellensystems gibt
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion bereitzustellen, die bei relativ geringem Aufwand eine hohe Effizienz besitzt.It is an object of the invention, an apparatus for performing a provide chemical reaction, which at relatively low cost a has high efficiency.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion, die jeweils zumindest einen, vorzugsweise mehrere erste Strömungskanäle für ein erstes Reaktionsmedium, zweite Strömungskanäle für ein zweites Reaktionsmedium, dritte Strömungskanäle für ein ers tes Temperiermedium und vierte Strömungskanäle für ein zweites Temperiermedium aufweist.This object is achieved by a device for carrying out a chemical reaction, each having at least one, preferably a plurality of first flow channels for a first reaction medium, second flow channels for a second Re action medium, third flow channels for a first tempering medium and fourth flow channels for a second tempering medium.
Erfindungsgemäß sind also zumindest vier Medien getrennt voneinander führbar. Die Reaktionsmedien dienen der Versorgung einer chemischen Reaktionszone mit den für die chemische Reaktion erforderlichen Medien, wie beispielsweise Wasserstoff und Luftsauerstoff, beziehungsweise einer Abführung eines oder mehrerer Reaktionsprodukte. Mit Hilfe des ersten Temperiermediums ist die in der Vorrichtung entstehende Abwärme beispielsweise direkt an die Umgebung abführbar beziehungsweise ist die benötigte Wärme der Vorrichtung direkt zuführbar, insbesondere mit Hilfe einer Fluidfördereinrichtung, wie beispielsweise einer Pumpe, einem Gebläse oder dergleichen. Zu diesem Zweck wird als erstes Temperiermedium vorzugsweise Umgebungsluft verwendet, die in einer geeignet großen Menge durch die Vorrichtung geführt wird. Das zweite Temperiermedium, beispielsweise Kühlwasser, strömt in einem vorzugsweise geschlossenen Kreislauf, vorzugsweise mittels einer geeigneten Fluidfördereinrichtung.According to the invention are therefore at least four media separately feasible. The reaction media serve to supply a chemical reaction zone with those for the chemical Reaction required media, such as hydrogen and Atmospheric oxygen, or a discharge of one or more reaction products. With the help of the first tempering medium is in the device resulting waste heat For example, directly dissipated to the environment or the required heat is the Device can be fed directly, in particular by means of a fluid delivery device, such as for example, a pump, a blower or the like. To this Purpose is as a first tempering preferably ambient air used in a suitably large amount through the device guided becomes. The second temperature control medium, for example cooling water, flows in a preferably closed circuit, preferably by means of a suitable fluid delivery device.
Unter Umständen ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein geringerer baulicher Aufwand erreichbar, wenn Zusatzkomponenten wie Temperiermittelleitungen, -pumpen oder Wärmeübertrager verzichtbar werden, da die Vorrichtung selbst als Wärmeübertrager fungiert. Insbesondere durch das Vorsehen von Strömungskanälen für unterschiedliche Temperiermedien wird eine homogenere Temperaturverteilung und gegebenenfalls eine gleichmäßigere Temperaturabgabe beziehungsweise -zugabe und dadurch unter Umständen eine erhöhte Effizienz der Vorrichtung ermöglicht. Vorteilhaft wirkt sich die Verwendung zweier Temperiermedien aus, die sich in ihrer Wärmekapazität und/oder ihrem Aggregatzustand voneinander unterscheiden und/oder wenn die Strömungskanäle für die Temperiermedien unterschiedliche Formen und/oder Querschnittsflächen aufweisen.Under circumstances is with the device according to the invention a lesser structural effort achievable if additional components How temperature control lines, pumps or heat exchangers are dispensable, since the device itself as a heat exchanger acts. In particular, by providing flow channels for different Temperiermedien is a more homogeneous temperature distribution and optionally a more uniform temperature output or addition and thus possibly an increased efficiency of Device allows. The use of two tempering media has an advantageous effect, in their heat capacity and / or Their physical state differ from each other and / or if the flow channels for the tempering have different shapes and / or cross-sectional areas.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine vorzugsweise diffusionsdurchlässige Membran zwischen einem ersten und einem zweiten Strömungskanal auf, so dass die Reaktionsmedien voneinander getrennt sind, wobei die chemische Reaktion über beispielsweise ionische Diffusion eines oder mehrerer Reaktanden durch die Membran hindurch ermöglicht wird.According to one preferred embodiment, the inventive device a preferably diffusion permeable membrane between a first and a second flow channel on, so that the reaction media are separated from each other, wherein the chemical reaction over for example ionic diffusion of one or more reactants through the membrane through it becomes.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kommunizieren die Strömungskanäle für die Reaktionsmedien miteinander, so dass die Reaktanden unmittelbar miteinander in Berührung kommen und sich unter Umständen miteinander vermischen können. Hierdurch wird die chemische Reaktion unter Umständen beschleunigt, so dass die Effizienz der Vorrichtung steigt.According to one alternative embodiment, the flow channels for the reaction media communicate with each other, so that the reactants come into direct contact with each other and in some circumstances can mix with each other. hereby the chemical reaction may be accelerated, so that the efficiency of the device increases.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen fünften Strömungskanal für ein drittes Temperiermedium auf, das sich von dem ersten und dem zweiten Temperiermedium unterscheidet. Hierdurch wird eine Beaufschlagung der Vorrichtung mit drei unterschiedlichen Temperiermedien unterschiedlicher Funktion ermöglicht. Beispielsweise kann ein Temperiermedium einer Wärmeabfuhr, einer Wärmezufuhr, einer Verdampfung und/oder einer insbesondere katalytisch unterstützten Umsetzung des Temperiermediums selbst dienen.Prefers has the device according to the invention a fifth flow channel for a third tempering medium, extending from the first and the second Temperature control differentiates. This will be an admission the device with three different tempering different Function allows. For example, a tempering medium of heat removal, a heat supply, an evaporation and / or a particular catalytically assisted implementation of Serve tempering itself.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kommuniziert zumindest ein Strömungskanal für ein Reaktionsmedium mit einem Strömungskanal für ein Temperiermedium. Hierdurch ist der betreffende Strömungskanal für das Temperiermedium als Zuführkanal für frisches und gegebenenfalls vortemperiertes Reaktionsmedium verwendbar.According to one preferred embodiment communicates at least one flow channel for a reaction medium with a flow channel for a temperature control medium. As a result, the relevant flow channel for the temperature control medium as a feed channel for fresh and optionally pre-tempered reaction medium usable.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist ein dritter oder vierter Strömungskanal einen Katalysator auf und ist besonders bevorzugt katalytisch beschichtet. Das erste beziehungsweise zweite Temperiermedium nimmt dann durch eine endotherme Reaktion Wärme auf oder gibt durch eine exotherme Reaktion Wärme ab, so daß einerseits die Wärmeabfuhr beziehungsweise -zufuhr unterstützt wird und andererseits die Vorrichtung gegebenenfalls eine weitere Funktion, nämlich die Durchführung der katalysierten Reaktion, insbesondere eine Reformierung, erfüllt.According to one advantageous embodiment has a third or fourth flow channel a catalyst, and is particularly preferably catalytically coated. The first or second temperature control medium then increases an endothermic reaction heat on or gives off by an exothermic reaction heat, so that on the one hand the heat dissipation or supply is supported and, on the other hand, the device optionally has another function, namely the implementation the catalyzed reaction, in particular a reforming fulfilled.
Bevorzugt ist der Katalysator auf einer Oberfläche angeordnet, die von anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelt ist. Somit kann die katalysierte Reaktion auch auf einem anderen Temperaturniveau ablaufen als dem der anderen Strömungskanäle. Besonders bevorzugt ist der Katalysator auf einem von den anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelten Scheibenelement angeordnet. Die thermische Entkopplung ist dabei insbesondere durch Vorsprünge an der Kanalwand und/oder dem Scheibenelement bewerkstelligt, wobei dann durch ein nur punktuelles und/oder linienförmiges Berühren ein Wärmefluß von der Kanalwand zu dem Scheibenelement oder umgekehrt gehemmt wird.Prefers the catalyst is placed on one surface, the other Flow channels thermally is decoupled. Thus, the catalyzed reaction on a other temperature level than that of the other flow channels. Especially Preferably, the catalyst is thermally decoupled on one of the other flow channels Disc element arranged. The thermal decoupling is included in particular by projections accomplished on the channel wall and / or the disc element, wherein then by a only punctiform and / or linear contact a heat flow from the channel wall to the Disc element or vice versa is inhibited.
Zusätzlich oder alternativ weist die jeweilige Kanalwand und/oder das von der jeweiligen Kanalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement einen insbesondere als Oberflächenbeschichtung ausgebildeten thermischen Isolator auf. Eine thermische Isolation ist unter Umständen auch bei Strömungskanälen ohne Katalysator vorteilhaft.Additionally or alternatively, the respective channel wall and / or the one of the respective Channel wall thermally decoupled disc element a particular as a surface coating trained thermal insulator on. A thermal insulation is under circumstances even with flow channels without Catalyst advantageous.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst das von der jeweiligen Kanalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement einen insbesondere katalytisch beschichteten Wabenkörper, insbesondere eine Wabenkeramik, die aufgrund ihres Ausgangsmaterials im Hinblick auf eine thermische Abkoppelung besonders geeignet ist und entweder mit oder ohne Einsatz einer punktuellen Anlage verwendbar ist.According to a preferred embodiment to sums the thermally decoupled from the respective channel wall disc element a particular catalytically coated honeycomb body, in particular a honeycomb ceramic, which is particularly suitable due to their starting material in terms of thermal decoupling and either with or without the use of a punctiform plant is used.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst das von der jeweiligen Kanalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement ein ausgedehntes Metallgestrick oder ein ausgedehntes Metallfilz, das in besonders bevorzugter Ausführung mit einer oder zwei Kanalwänden des Flowfields elektrisch leitend verbunden ist, beispielsweise durch Lötung.According to one another preferred embodiment comprises the disc element thermally decoupled from the respective channel wall a broad metal knit or a stretched metal felt that in a particularly preferred embodiment with one or two channel walls the flowfield is electrically connected, for example by soldering.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kommuniziert zumindest ein dritter und/oder vierter Strömungskanal mit einem ersten und/oder zweiten Strömungskanal. Dadurch dient zumindest ein Reaktionsmedium auch als Temperiermedium, nämlich vor oder nach der chemischen Reaktion. Dies dient beispielsweise einer Vorwärmung eines Reaktanden, gegebenenfalls unter Rückgewinnung von Reaktionsabwärme. Besonders bevorzugt ist dazu der dritte beziehungsweise vierte Strömungskanal mit einem Katalysator versehen, so dass zumindest ein Reaktand in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit relativ geringem energetischem Aufwand darstellbar ist.According to one preferred embodiment At least a third and / or fourth flow channel communicates with a first and / or second flow channel. This serves at least a reaction medium as a tempering, namely before or after the chemical Reaction. This serves, for example, to preheat a reactant, if appropriate under recovery of reaction heat. Particularly preferred is the third or fourth flow channel for this purpose provided with a catalyst, so that at least one reactant in the device according to the invention can be displayed with relatively little energy expenditure.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie aus Ausführungsbeispielen, anhand derer die Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:Further advantageous embodiments The invention results from the claims and from exemplary embodiments, on the basis of which the invention is described below with reference to the drawings is explained in more detail. Show it:
Das
Ausführungsbeispiel
gemäß
In
einer besonders bevorzugten Ausführung werden
die Komponenten
Die
in dieser Darstellung gefügten
Scheibenpakete weisen eine umlaufende Abdichtung (
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit interner (Dampf-)Reformierung eingesetzt. Dies geschieht dadurch, dass anstelle von Kühlluft einer der Reaktanden durch die dritten Strömungskanäle und anschließend durch die ersten oder zweiten Strömungskanäle strömt, indem die ersten beziehungsweise zweiten Strömungskanäle mit den dritten Strömungskanälen kommunizieren, beispielsweise über eine Verbindungsleitung oder aber innerhalb des Scheibenstapels.In Another particularly preferred embodiment is a device according to the invention used with internal (steam) reforming. This happens by that instead of cooling air one of the reactants through the third flow channels and then through the first or second flow channels flow by the first and second flow channels communicate with the third flow channels, for example via a Connecting cable or within the disk stack.
In
einer spezielleren Ausführungsform
wird ein Bereich für
die Verdampfung des flüssigen
Kraftstoffs erzeugt, der dem eigentlichen Reformierungsbereich funktional
vorgeschaltet ist, aber zur Erzielung einer Verdampfung ohne chemische
Reformierungsreaktion nicht über
eine katalytische Beschichtung verfügt. Bei diesem Anwendungsfall
werden die Segmente (
Der Anteil an elektrisch nicht nutzbarer Abwärme an der chemisch freigesetzten Energie ergibt sich dabei aus dem Verhältnis der Differenz von reversibler Wärmetönung [1,48V] und der elektrischen Zellspannung im jeweiligen Betriebspunkt zur reversiblen Wärmetönung. Wird der Reformierungsprozess so gefahren, dass die für die Verdampfung und/oder Reformierung erforderliche Wärmemenge der Abwärme entspricht, kann ein solches System sogar autotherm und völlig ohne externen Kühler betrieben werden.Of the Share of electrically unusable waste heat at the chemically released Energy results from the ratio of the difference of reversible Catalyst [1,48V] and the electrical cell voltage at the respective operating point for reversible heat of reaction. Becomes the reforming process so driven that for the evaporation and / or Reforming required amount of heat the waste heat equivalent, such a system can even be autothermal and completely without external cooler operate.
In
einer besonders bevorzugten Ausführung wird
als Kühlmedium
zur Einstellung eines isothermen Zustandes ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch
verwendet, das im Bereich des Kühlflowfields
zwischen den Platten (
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird das Kraftstoff-Wasser-Gemisch unter Druck geführt, so dass es im Bereich des Kühlflowfields in flüssiger Form vorliegt und vor dem Eintritt ins Reformierungsflowfield druckentspannt, so dass hier eine schlagartige Verdampfung eintritt als Vorbereitung für die Reformierungsreaktion.In Another preferred embodiment the fuel-water mixture under pressure, so it's in the area of the cooling flowfield in liquid Form and before the entry into the Reformierungsflowfield pressure-relieved, so that here comes a sudden evaporation as preparation for the Reforming reaction.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der Betriebspunkt beziehungsweise die Abwärme des Stapels so eingestellt, dass der Vorgang des Aufheizens des Kraftstoff-Wasser-Gemischs in Verbindung mit der Dampfreformierung durch die bei der chemischen Reaktion entstehende Abwärme energetisch zumindest teilweise gedeckt wird, so dass ein autothermer Betrieb gefördert wird. Grundsätzlich ist diese Anordnung für jede endotherme oder leicht exotherme Reaktionskombination geeignet.In Another preferred embodiment set the operating point or the waste heat of the stack, that the process of heating the fuel-water mixture in Compound with the steam reforming by the chemical Reaction resulting waste heat energetically at least partially covered, so that an autothermal Operation promoted becomes. in principle is this arrangement for any endothermic or slightly exothermic reaction combination suitable.
Im Rahmen einer katalytisch gekühlten Vorrichtung mit interner Reformierung (beispielsweise Methanolreformierung) kann die Reformierung durch die erfindungsgemäße quasi-isotherme Temperaturverteilung im ganzen katalytisch beschichteten Bereich unter Umständen effizienter ablaufen.in the Frame of a catalytically cooled Device with internal reforming (for example methanol reforming) can the reforming by the quasi-isothermal temperature distribution according to the invention may be more efficient throughout the catalytically coated area expire.
In
einer Verdampfungszone
In
einer Reformierungszone
In
einer Niedertemperatur-Shift-Zone
Die
dritten Strömungskanäle der unterschiedlichen
Zonen sind über
geeignete, nicht näher dargestellte
Verbindungskanäle
miteinander verbunden, so dass das jeweilige Fluid, wie durch die
Pfeile
Gemäß nicht gezeigter Ausführungsformen werden in bestimmten Zonen dritte Strömungskanäle für eine selektive Oxidation oder eine Anodenabgasverbrennung eingesetzt. Die dafür bislang vorgesehenen, eigenständigen Bauteile können dann grundsätzlich entfallen.Not according to shown embodiments in certain zones third flow channels for a selective Oxidation or anode exhaust gas combustion used. The so far provided, separate Components can then basically omitted.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch Beaufschlagen dritter Strömungskanäle mit Reaktionsluft für einen ATR („autotherme Reformierung")-Reformer die benötigte Luft vorgewärmt, so dass die ATR-Reaktion unter Umständen gleichmäßiger abläuft und eine entsprechende Vorwärmstufe als eigenständiges Bauteil wegfällt.According to one another embodiment By applying third flow channels with reaction air for a ATR ("autothermal Reforming ") - Reformer the needed Air preheated, so that the ATR reaction may run more smoothly and a corresponding preheating stage as independent Component is eliminated.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch Beaufschlagen dritter Strömungskanäle mit Reaktionsluft für den kathodenseitigen Brennstoffzellenprozess das Kathodengas vorgewärmt, so dass am Kathodengaseintritt des Brennstoffzellenstapels auftretende negative Temperatureffekte (wie beispielsweise Elektrolytalterung, Kondensation, etc.) reduziert oder verhindert werden.According to one another embodiment is by applying third flow channels with reaction air for the cathode side Fuel cell process preheated the cathode gas, so that at the cathode gas inlet the fuel cell stack occurring negative temperature effects (such as electrolyte aging, condensation, etc.) reduced or prevented.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch Integration eines geeigneten Transformationskatalysators (aktive Entschwefelung) oder eines geeigneten Adsorbens (passive Entschwefelung) in die dritten Strömungskanäle, beispielsweise durch Beschichtung der Wände und/oder durch Einfüllen von chemisch aktivem Schüttgut, wie beispielsweise Pellets, Tabletten etc., und Sicherung gegen Austrag aus dem Strömungskanalbereich, beispielsweise mittels Gitter an beiden Enden der Strömungskanäle, eine Entschwefelung des verwendeten Brennstoffes ermöglicht. Diese Entschwefelung kann grundsätzlich am flüssigen oder dampfförmigen Kraftstoff vor der Reformierung erfolgen oder auch am Reformat nach der Reformierung durchgeführt werden. Durch das hierdurch erzielte Absenken des Schwefelgehalts im Reformat wird im Folgenden die Deaktivierung katalytisch aktiver Komponenten (z.B. Shiftstufen) verringert oder vermieden und die Lebensdauer und Effizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert.According to one another embodiment is achieved by integration of a suitable transformation catalyst (active desulfurization) or a suitable adsorbent (passive Desulfurization) in the third flow channels, for example by coating the walls and / or by filling of chemically active bulk material, such as pellets, tablets, etc., and securing against Discharge from the flow channel area, For example, by means of grids at both ends of the flow channels, a desulfurization allows the fuel used. This desulphurization can basically on liquid or vaporous Fuel before reforming or on the reformate after the Reforming carried out become. By thus lowering the sulfur content In the following, deactivation becomes catalytically more active in the reformate Reduced or avoided components (e.g., shift steps) and the Increased service life and efficiency of the fuel cell system.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird das Schüttgut nach Erreichen einer definierten Mindestaktivitätsschwelle gegen unverbrauchte Ware ausgetauscht. Zur Vereinfachung dieses Austauschs kann das Schüttgut in Form einer geeignet geformten Austauschpatrone in die vierflutige Bipolarplatte eingesetzt und gegebenenfalls einfach ausgewechselt werden.In a particularly preferred embodiment the bulk material After reaching a defined minimum activity threshold against unused goods replaced. To simplify this exchange, the bulk material can in Shape of a suitably shaped replacement cartridge in the four-flow Inserted bipolar plate and optionally simply replaced become.
Voraussetzung für die meisten der oben genannten Aufgaben ist ein relativ hohes Temperaturniveau, das zweckmäßigerweise durch Betrieb des Brennstoffzellensystemclusters in Verbindung mit Membran-Elektroden-Einheiten unter Verwendung von Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membranen und der Ausnutzung der entsprechenden Nenn-Betriebstemperaturen (100...200°C) bereitgestellt werden kann.requirement for the most of the above tasks is a relatively high temperature level, that expediently by operating the fuel cell system cluster in conjunction with membrane-electrode assemblies using High-temperature polymer electrolyte membranes and the utilization of the corresponding rated operating temperatures (100 ... 200 ° C) can be provided.
Hier ist zu unterscheiden zwischen Prozessen, die bei Zelltemperatur ablaufen (zum Beispiel Verdampfung, Niedertemperatur(NT)-Shiftreaktion, Kühlung) und Prozessen, die zwar bei Zelltemperatur starten können, gewöhnlich aber adiabater Natur sind und bei höheren Temperaturen als Zelltemperatur ablaufen (zum Beispiel autotherme Reformierung, partielle Oxidation, Niedertemperatur-Shiftreaktion, selektive Oxidation, Anodenabgasverbrennung).Here is to differentiate between processes at cell temperature run (for example, evaporation, low temperature (NT) -Shiftreaktion, cooling) and Processes that can start at cell temperature, but are usually adiabatic in nature and at higher Temperatures occur as cell temperature (for example, autothermal Reforming, partial oxidation, low-temperature shift reaction, selective Oxidation, anode exhaust gas combustion).
Um Prozesse der letztgenannten Art beispielsweise in einem Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemcluster ablaufen lassen zu können, ist die Ausbildung unterschiedlicher Temperaturniveaus innerhalb des Brennstoffzellensystemclusters zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist der für die jeweilige Reaktion geeignete Katalysator bevorzugt auf einer Oberfläche angeordnet, die von anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelt ist.Around For example, processes of the latter type in a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell system cluster to be able to drain is the formation of different temperature levels within enable the fuel cell cluster. For this purpose is the for the particular reaction is preferably on a catalyst Surface arranged, that of other flow channels thermally is decoupled.
Gemäß
Alternativ
oder, wie in
In einer nicht dargestellten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystemclusters werden die vierten Strömungskanäle für das flüssige Kühlmittel durch einen Aufbau analog zur Ausgestaltung eines Wärmerohres ersetzt.In a non-illustrated embodiment of a Fuel cell system clusters undergo the fourth flow channels for the liquid coolant replaced a structure analogous to the design of a heat pipe.
Hierdurch kann auf den Einsatz einer Pumpe zur Umwälzung des Flüssigkühlmediums verzichtet werden, wodurch sich gegebenenfalls ein weiterer Bauraumgewinn und unter Umständen eine Verbesserung des Systemwirkungsgrades ergibt.hereby may be due to the use of a pump for circulating the liquid cooling medium be omitted, which may be a further space gain and possibly gives an improvement of the system efficiency.
Die
Erfindung ermöglicht
es unter Umständen,
ein vereinfachtes System zu schaffen, mit dem die beim Stand der
Technik erforderliche Vielzahl von Komponenten verzichtbar wird
und gegebenenfalls eine Kosten- und/oder Bauraumreduzierung möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform
fasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
alle wesentlichen Komponenten aus
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind einige oder alle dritten Strömungskanäle einseitig mit einer Kathodengasquelle, wie beispielsweise einem Kompressor, verbunden und auf der anderen Seite verschlossen.In a particularly preferred embodiment some or all third flow channels are one-sided with a cathode gas source, such as a compressor, connected and on the other Side closed.
Claims (41)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE102007061948A1 (en) * | 2007-12-21 | 2009-06-25 | Mtu Onsite Energy Gmbh | Internal reforming catalyst for fuel cell in fuel cell stack, comprises rod-form support coated with catalyst material and located in base part |
| DE102006017943B4 (en) * | 2005-04-22 | 2016-10-20 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) | Fuel cell assembly with a flow distribution arrangement |
-
2005
- 2005-11-16 DE DE102005055043A patent/DE102005055043A1/en not_active Withdrawn
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