[go: up one dir, main page]

DE102008024674A1 - Exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination for stop-start cycles in motor vehicles, comprises reformer-reactor, shift reactor, turbine wheel of radially acting fresh-air loader, auxiliary heating tube, and thermal insulator - Google Patents

Exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination for stop-start cycles in motor vehicles, comprises reformer-reactor, shift reactor, turbine wheel of radially acting fresh-air loader, auxiliary heating tube, and thermal insulator Download PDF

Info

Publication number
DE102008024674A1
DE102008024674A1 DE102008024674A DE102008024674A DE102008024674A1 DE 102008024674 A1 DE102008024674 A1 DE 102008024674A1 DE 102008024674 A DE102008024674 A DE 102008024674A DE 102008024674 A DE102008024674 A DE 102008024674A DE 102008024674 A1 DE102008024674 A1 DE 102008024674A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
gas
reformer
reactor
fuel
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102008024674A
Other languages
German (de)
Inventor
Erhard Weber
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.)
Weber Erhard Dr De
Original Assignee
Individual
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 Individual filed Critical Individual
Priority to DE102008024674A priority Critical patent/DE102008024674A1/en
Publication of DE102008024674A1 publication Critical patent/DE102008024674A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04052Storage of heat in the fuel cell system
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • C01B3/505Membranes containing palladium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • C01B3/58Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids including a catalytic reaction
    • C01B3/583Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids including a catalytic reaction the reaction being the selective oxidation of carbon monoxide
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9016Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9033Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/004Cylindrical, tubular or wound
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • 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
    • H01M8/0618Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • 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
    • H01M8/0625Combination 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 in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0675Removal of sulfur
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/243Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0238Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a carbon dioxide reforming step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405Purification by membrane separation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435Catalytic purification
    • C01B2203/044Selective oxidation of carbon monoxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465Composition of the impurity
    • C01B2203/047Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465Composition of the impurity
    • C01B2203/0475Composition of the impurity the impurity being carbon dioxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465Composition of the impurity
    • C01B2203/0485Composition of the impurity the impurity being a sulfur compound
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465Composition of the impurity
    • C01B2203/0495Composition of the impurity the impurity being water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066Integration with other chemical processes with fuel cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0833Heating by indirect heat exchange with hot fluids, other than combustion gases, product gases or non-combustive exothermic reaction product gases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1035Catalyst coated on equipment surfaces, e.g. reactor walls
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1052Nickel or cobalt catalysts
    • C01B2203/1058Nickel catalysts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1064Platinum group metal catalysts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041Composition of the catalyst
    • C01B2203/1082Composition of support materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205Composition of the feed
    • C01B2203/1211Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235Hydrocarbons
    • C01B2203/1241Natural gas or methane
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205Composition of the feed
    • C01B2203/1211Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235Hydrocarbons
    • C01B2203/1247Higher hydrocarbons
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205Composition of the feed
    • C01B2203/1211Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235Hydrocarbons
    • C01B2203/1252Cyclic or aromatic hydrocarbons
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1288Evaporation of one or more of the different feed components
    • C01B2203/1294Evaporation by heat exchange with hot process stream
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14Details of the flowsheet
    • C01B2203/146At least two purification steps in series
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14Details of the flowsheet
    • C01B2203/148Details of the flowsheet involving a recycle stream to the feed of the process for making hydrogen or synthesis gas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/402Combination of fuel cell with other electric generators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/405Cogeneration of heat or hot water
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/10Applications of fuel cells in buildings
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/129Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141Feedstock
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination comprises a reformer-reactor (3), a shift reactor, a turbine wheel of a radially acting fresh-air loader, whose radial turbine blades are raised with the turbine wheel outwardly and/or inwardly on a common rotor, inserted into a combustion engine-exhaust gas or in reformer reactor and/or shift reactor-remaining gas stream, an auxiliary heating tube inserted by loading fuel or air for heating the combustion engine of the exhaust gas (1) before the reformer reactor and fuel cell combination, and a thermal insulator. The exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination comprises a reformer-reactor (3), a shift reactor, a turbine wheel of a radially acting fresh-air loader, whose radial turbine blades are raised with the turbine wheel outwardly and/or inwardly on a common rotor, inserted into a combustion engine-exhaust gas or in reformer reactor and/or shift reactor-remaining gas stream, an auxiliary heating tube inserted by loading fuel or air for heating the combustion engine of the exhaust gas (1) before the reformer reactor and fuel cell combination, and a thermal insulator provided around the reformer reactor, fuel cell (10) and the shift reactor. The thermal energy contained in the exhaust gas is used for heating the reactor (RR) of the reformer and the fuel cell (BZ) at respective operating temperatures. A pre-heated hydrocarbon-containing fuel gas is added as buffer gas and transport gas to the exhaust gas and endothermally reacts to hydrogen (H 2), carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2) with the water steam H 2Og contained or additionally added in the exhaust gas under the use of the thermal energy delivered in the exhaust gas and recycled by the fuel cell and the remaining chemical energy of the exhaust gas. The reaction gas such as H 2, CO and CO 2is supplied directly or only H 2to the fuel cell of cathodic or anodic atmospheric oxygen over a hydrogen separator. The cylindrical entire-fuel cell is composed of segmented solid oxide individual-fuel cells, which consist of an internal carrier layer, a cathode layer, an electrolyte layer and an anode layer, where all the layers are sintered with one another in series. The solid oxide individual-fuel cells are individually arranged in pairs or triples part shells on cylinder, which are densely sintered to two separated biconcentric helix windings. The interior of the exhaust gas fuel tube of the reactor is equipped with deviating sections (33) and is opened to the cathodic inner helix winding over a radial slit opening, where the cathodic inner helix winding is formed together as reactor. The other anodic helix winding of the cylinder front side is densely sintered with an air supply pipe. The cathodic helix winding ends in a sintered pipe for the reception of the heated fuel remaining gases, which is fed back into the interior of the reactor tube over an exhaust gas inlet orifice, which is formed as jet pump. The anodic helix winding ends in a residual air of delivery pipe, which is sintered to gas-tight ceramic layer of the fuel cell. The center curvature of the cylinders part shells and the thicknesses of the fuel cell layers and the carrier layer are selected, so that the expansions of the layers with different temperatures compensate themselves over their lengths. The individual fuel cell is again segmented part shell webs in cylinder. The webs are separated by a peripheral joint, in which the layer converges the electrolyte or the electrolyte is replaced by a thin gas-tight ceramic insulating layer with expansion coefficient. The individual fuel cells overlap or interlock the part shells at the joints, are gas-tightly sintered with an insulated ceramic web with expansion coefficient and are connected in series by a nickel flag. The fuel cell with integrated reactor consists of rectangular surfaces superimposed on each other in the form of a double-helix made of two polygon-coils, in whose center the reactor internal tube and the air supply pipe are enclosed. The elongated fuel cell rectangular surfaces are subdivided into narrower single fuel cell segment with expansion joints. The reformer gas is supplied to the shift reactor after the reformer reactor for completely converting the carbon monoxide by additionally admixing evaporated and preheated water steam to carbon dioxide under further production of hydrogen. The hydrogen developed in the reformer and shift reactors is separated from the reformer gas and the shift gas by a hydrogen permeable separating device and then supplied over a conveying pump of the fuel cell. Only the shift reactor contains the hydrogen separating device and the separated hydrogen gas of the solid oxide fuel cell head is supplied to the combustion gas or cathodically supplied as combustion gas to a medium-temperature additional-fuel cell. The hydrogen separating device consists of coiled tubes, which is made of porous ceramic and are vaporized with a palladium-silver layer on an internal wall. The coil is arranged in an inner chamber of the shift reactor and/or the reformer-reactor. For converting the remaining portions of carbon monoxide, hydrogen and if necessary sulfur oxide and nitrous oxide in the remaining gas of the fuel cell to carbon dioxide, water and innoxious sulfur and nitrogen compounds, a catalyst in a pipe of a heat exchanger (19) is introduced on a porous ceramic carrier in an inner area of the reformer reactor or in an exhaust discharge. An independent claim is included for a device for an exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination.

Description

Die Aufgabe der Erfindung ist es, mit einer kompakten, Wärmeenergie gekoppelten Kombination von Verbrennungsmotor (VM)-Reformer Reaktor (RR)-Brennstoffzelle (BZ) den gesamten, mechanischen und elektrischen, Nutzungsgrad eines Kraftfahrzeuges (KFZ) deutlich zu erhöhen und dadurch den Krafststoffverbrauch zu senken. Gelöst wird diese Aufgabe

  • – durch Nutzung des heißen Abgases zum Aufheizen des RR als auch der BZ,
  • – durch Nutzung der hohen VM Abgas Wärme sowohl des Verbrennungsmotors als auch der recycleten Wärmeeneergie der BZ, insbesondere einer Festoxid-BZ, einer Solid Oxide Fuel Cell (SOFC),
  • – durch Nutzung der restlichen, verwertbaren chemischen Energie des VM Abgases und unter Zugabe von zusätzlichem Kraftstoff zur Erzeugung des BZ Brenngases, und
  • – durch Nutzung des Abgases als Träger- und Puffergas
The object of the invention is to significantly increase the total, mechanical and electrical, degree of utilization of a motor vehicle (motor vehicle) with a compact, heat energy-coupled combination of internal combustion engine (VM) reformer reactor (RR) fuel cell (BZ) and thereby the consumption of fuel to lower. This task is solved
  • By using the hot exhaust gas to heat the RR and the fuel cell,
  • By using the high VM exhaust gas heat of both the internal combustion engine and the recycled heat energy of the BZ, in particular a solid oxide BZ, a solid oxide fuel cell (SOFC),
  • - By using the remaining, usable chemical energy of the VM exhaust gas and with the addition of additional fuel for the production of BZ fuel gas, and
  • - By using the exhaust gas as carrier and buffer gas

Es werden weiterhin Hochtemperatur SOFC Konfigurationen vorgestellt, die schnelle, vielmalige Aufheiz/Abkühlungs Zyklen, unabdingbar für den mobilen Einsatz in KFZ's, ermöglichen, durch Kompensation der Ausdehnung der Bestandteile der Einzel BZ's.It high-temperature SOFC configurations will continue to be presented the fast, multiple heating / cooling cycles, essential for the mobile use in motor vehicles, enable, by compensation for the expansion of the components of the individual BZ's.

Beschreibungdescription

Während des Betriebes des RR kommt es zu einem Wärmeenergieverlust Wendo durch die endothermen Reaktionen des zugegebenen Kraftstoffes bestehend vornehmlich aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen CnHm mit dem im VM Abgas enthaltenen, heißen Wasserdampf H2Og gemäß der schematischen Gleichung zu Kohlenmon-CO, -dioxid CO2 und Wasserstoff H2: Wendo + CnHm + (2c + b)H2Og → c CO2 + b CO + a H2, (1)mit n = b + c, b >> c, a = (2c + b + m/2), alle Größen in mol, und
Wendo = (206,3 + (n – 1)141,2 + (n – 2)9,4) mol × kJ/mol = 1100 kJ für n = 7.
During the operation of the RR there is a loss of heat energy W endo by the endothermic reactions of the added fuel consisting mainly of gaseous hydrocarbons C n H m with the contained in the VM exhaust, hot water H 2 Og according to the schematic equation to carbon mon-CO, - dioxide CO 2 and hydrogen H 2 : W endo + C n H m + (2c + b) H 2 Og → c CO 2 + b CO + a H 2 , (1) with n = b + c, b >> c, a = (2c + b + m / 2), all sizes in mol, and
W endo = (206.3 + (n-1) 141.2 + (n-2) 9.4) mol × kJ / mol = 1100 kJ for n = 7.

Konkurrierende Prozesse, wie z. B, W'endo + CnHm + n CO2 > 2n CO + m/2 H2, ändern nichts an der in der BZ erzeugten Ladungsmenge Q für gleiche umgesetzte Kraftstoffgas Menge, siehe Gl. 2 für die SOFC.Competing processes, such as B, W ' endo + C n H m + n CO 2 > 2n CO + m / 2 H 2 , do not change the amount of charge Q generated in the BZ for the same amount of converted fuel gas, see Eq. 2 for the SOFC.

Der Energieverlust Wendo wird ausgeglichen durch die Wärmeenergie Wabg des VM Abgases und durch das recyclete BZ-Restgas, das durch die exothermen Reaktionen in der BZ-2 aufgeheizt wird und so der RR und die BZ auf einer Betriebstemperatur von 800 bis 950°C gehalten wird.The energy loss W endo is compensated by the heat energy W abg of the VM exhaust gas and by the recycled BZ residual gas, which is heated by the exothermic reactions in the BZ-2 and so the RR and the BZ at an operating temperature of 800 to 950 ° C. is held.

Die verwertbaren Reaktionsprodukte (b + b') CO + a H2, mit b = 1,2 mol CO Restanteil des VM Abgases für 1 mol Benzin mit einer mittleren stöchiometrischen Zusammensetzung von C7H16, siehe unten, werden der SOFC direkt kathodenseits als Brenngas zugesetzt und mit dem anodenseitig zugesetzten Luftsauerstoff, nach den Gl. 3 und 4, siehe unten, in eine theoretische Ladungsmenge Q in C (Coulomb) umgesetzt Q = 2(n + m/2 + b')e. (2) The recoverable reaction products (b + b ') CO + a H 2 , with b = 1.2 mol CO residual of the VM exhaust gas for 1 mol of gasoline with an average stoichiometric composition of C 7 H 16 , see below, the SOFC directly on the cathode side added as fuel gas and with the anode-side added atmospheric oxygen, according to the Eq. 3 and 4, see below, converted into a theoretical charge Q in C (Coulomb) Q = 2 (n + m / 2 + b ') e - . (2)

Die SOFC hat den großen Vorteil, daß sie CO und H2 gleichwertig als Brenngas verwerten kann. Wie man aus der Gl. 2 für Q ersehen kann, gehen die Anteile b und c von CO und CO2 nicht in Q ein, also spielt auch das Produktionsverhältnis b/c keine Rolle.The SOFC has the great advantage that it can use CO and H 2 equivalent as fuel gas. As can be seen from the Eq. 2 for Q, the shares b and c of CO and CO 2 do not go into Q, so the production ratio b / c also does not matter.

Für RR Temperaturen t > 900°C ist b/c > 10.For RR temperatures t> 900 ° C is b / c> 10.

Bei unkatalysiertem Abgas z. B. eines Erd- oder Autogas oder Benzin betriebenen Otto Motors liegt der Kohlenmonoxid (CO) Gehalt bei ca. 2 Vol%, was einem effektivem 19% Anteil von nicht vollständig verbrannten Kohlenstoff entspricht.at uncatalyzed exhaust gas z. As a natural gas or LPG or gasoline operated Otto Motors is the carbon monoxide (CO) content at about 2% by volume, which did not completely burn off an effective 19% share Corresponds to carbon.

Die hohe Abgas-Wärmeenergie WAbg, z. B. eines Otto-Motors, beträgt ca. 40% des zugeführten Kraftstoff Heizwertes.The high exhaust heat energy W Abg , z. As an Otto engine, is about 40% of the fuel supplied calorific value.

Für 100 g Benzin, entsprechend 1 mol mit der mittleren stöchiometrischen Zusammensetzung C7H16 (mittlerer Heizwert H = 4200 kJ) also für n = 7, m = 16 und b' = 1,2 ergibt sich die theoretisch maximale elektrische Energieabgabe der SOFC aus den exothermen Reaktionen die in der BZ ablaufen CO + O > CO2 + 2e + (–283,2 kJ), (3) H2 + O → H2O + 2e + (–242 kJ) (4)also die Ladung Q gemäß Gl. 2 zu
Q = 2(16,2) A e = 3,13 106 C mit A = Avogadro Konstante = 6,0222 1023 und
der Elektronen Ladung e = 1,602 10–16 C.
For 100 g of gasoline, corresponding to 1 mol with the average stoichiometric composition C 7 H 16 (average calorific value H = 4200 kJ), ie for n = 7, m = 16 and b '= 1.2, the theoretically maximum electrical energy output of the SOFC is obtained from the exothermic reactions that take place in the BZ CO + O - > CO 2 + 2e - + (-283,2 kJ), (3) H 2 + O - → H 2 O + 2e - + (-242 kJ) (4) So the charge Q according to Eq. 2 too
Q = 2 (16,2) A e - = 3,13 10 6 C with A = Avogadro constant = 6,0222 10 23 and
the electron charge e - = 1.602 10 -16 C.

Bei einer Leerlaufspannung von U = 1 V ergibt sich die elektrische Energie zu Wel = QU = 3125 kJ was einem Wirkungsgrad der BZ von μ = 0,58 entspricht.At an open circuit voltage of U = 1 V, the electrical energy is W el = QU = 3125 kJ which corresponds to an efficiency of BZ of μ = 0.58.

Bei einer BZ-Spannung von U = 0,8 V unter Last wird Wel = QU 2500 kJ. (5) At a BZ voltage of U = 0.8 V under load becomes W el = QU 2500 kJ. (5)

Dies entspricht einer effektiven Leistung von Pel = Wel/3600 s = 0,69 kW für 1 mol = 100 g Benzin. (6) This corresponds to an effective performance of P el = W el / 3600 s = 0.69 kW for 1 mol = 100 g of gasoline. (6)

Die gesamte Wärmeenergie W aus o. a. Reaktionen gemäß Gl. 3 und 4, ohne abgeführte Wel ergäbe sich mit n = 7 und m = 16 und b' = 1,2, jeweils in mol, zu
W = (8,2 × 283,2 + 8 × 242) kJ = 4258 kJ. Davon wird der obige Wert für Wel = 2500 kJ abgezogen, um die überschüssige Restwärme der BZ WBZ = 1758 kJ zu erhalten.
The total heat energy W from the above reactions according to Eq. 3 and 4 without dissipated W el would result with n = 7 and m = 16 and b '= 1.2, in each case in mol to
W = (8.2 × 283.2 + 8 × 242) kJ = 4258 kJ. From this, the above value for W el = 2500 kJ is subtracted in order to obtain the excess residual heat of the BZ W BZ = 1758 kJ.

Diese wird durch Rückführung des BZ Restgases, direkt oder über einen Wärmetauscher, wieder dem RR zugeführt.These is by repatriation of the BZ residual gases, directly or via a heat exchanger, fed back to the RR.

Bei gleichen Kraftstoffverbrauch des VM und des RR von jeweils 100 g Benzin ergibt sich aus der Wärme gekoppelten Kombination RR + BZ ein Wärmeenergie Überschuß von W = WBZ – Wendo = 658 kJ, mit dem oben berechneten Wert Wendo = 1100 kJ. Damit gleicht die überschüssige Wärme des BZ-Restgases den Verlust durch die endothermen Reaktionen im RR mehr als aus und hält somit die Betriebstemperatur von RR und BZ aufrecht.With the same fuel consumption of the VM and the RR of 100 g each, the heat-coupled combination RR + BZ results in a heat energy surplus of W = W BZ - W endo = 658 kJ, with the value W endo = 1100 kJ calculated above. Thus, the excess heat of the BZ residual gas more than offsets the loss due to the endothermic reactions in the RR, thus maintaining the operating temperature of RR and BZ.

Unter der Annahme gleichen Kraftstoffverbrauchs von VM und der RR + BZ Kombination von jeweils 15 mol Benzin, entsprechend 1,5 kg oder ca. 2 l,
ergibt sich aus Gl. 6 eine elektrische Leistung der Kombination RR + BZ
Pel = 10,4 kW.
Assuming the same fuel consumption of VM and the RR + BZ combination of 15 mol of gasoline, corresponding to 1.5 kg or about 2 l,
results from Eq. 6 an electric power of the combination RR + BZ
P el = 10.4 kW.

Bei einem Heizwert von 42000 kJ/kg für Benzin und einem mittleren Wirkungsgrad des VM von μ = 0,275 ergibt sich WVM = 17330 kJ und damit
PVM = WVM/3600 s = 4,8 kW,
also eine mittlere Gesamtleistung der Kombination RR + BZ von Pges = 15,2 kW = 20,7 PS.
With a calorific value of 42000 kJ / kg for gasoline and a mean efficiency of the VM of μ = 0.275, W VM = 17330 kJ and thus
P = W VM VM / 3600 s = 4.8 kW,
So a mean total power of the combination RR + BZ of P ges = 15.2 kW = 20.7 HP.

Damit kann auch ein schwereres KFZ mit einer mittleren Geschwindigkeit von 100 km/St bis 130 km/St bewegt werden. Natürlich ist der VM für eine deutlich höhere Spitzenleistung ausgelegt.In order to can also have a heavier car with a medium speed from 100 km / h to 130 km / h. Of course, the VM is for a clear higher Peak performance designed.

Die elektrische Leistung ist in diesem Beispiel im Teillast Betrieb um den Faktor 2,15 höher als die des VM.The electrical power is in this example in partial load operation by a factor of 2.15 higher as that of the VM.

Der Gesamt-Wirkungsgrad von VM + BZ erhöht sich um etwa einen Faktor 1,5.Of the Overall efficiency of VM + BZ increases by about a factor 1.5.

Der auf ca. 900°C erhitzte Abgas-/Puffergas Anteil besteht für 100 g Benzin aus 44 mol N2, 8 mol Wasserdampf H2O, 5,8 mol CO2 und 1,2 mol CO.The heated to about 900 ° C exhaust / buffer gas fraction consists for 100 g of gasoline from 44 moles of N 2 , 8 moles of water vapor H 2 O, 5.8 mol CO 2 and 1.2 mol CO.

Die Abgas beschickte Kombination RR + BZ hat gegenüber einem autonom beschickten und mit O2 Verbrennung erhitzten RR die entscheidenden Vorteile, wegen:

  • 2. einer Einsparung von 44% an Kraftstoff, unter Einrechnung des verwertbaren CO Anteils im Abgas,
  • 3. einer erhöhten Produktionsrate des Brenngases CO und H2, da in der Gasphase das Abgas als Puffergas die Produktion durch Dreikörperstoß Prozesse fördert, ohne Kontakt mit einem Feststoff Katalysator. Das Abgas/Puffergas wirkt wie eine Druckerhöhung.
  • 3. Für das Puffer- plus Kraftstoffgas kann der BZ-Kathodenraum als Reformer Reaktor Raum genutzt werden, wodurch sich die Masse des aufzuheizenden und auf Betriebstemperatur zu haltenden Volumens deutlich reduziert.
The exhaust-fed combination RR + BZ has the decisive advantages over an autonomously fed and heated with O 2 combustion RR, because:
  • 2. a saving of 44% in fuel, including the recoverable CO content in the exhaust gas,
  • 3. An increased production rate of the fuel gas CO and H 2 , since in the gas phase, the exhaust gas as a buffer gas promotes the production by three-body impact processes, without contact with a solid catalyst. The exhaust gas / buffer gas acts as an increase in pressure.
  • 3. For the buffer plus fuel gas, the BZ cathode space can be used as a reformer reactor space, which significantly reduces the mass to be heated and maintained at operating temperature volume.

Da nur die Summe der durch den RR produzierten Brenngas Menge CO + H2 in die Energiebilanz der SOFC eingeht und diese in dem Betriebstemperatur Bereichen des RR von 450 bis 950°C (der BZ von 800 bis 950°C, neuerdings auch 650 bis 950°C möglich) weitgehend unabhängig von der jeweiligen Temperatur wird, ist die Kombination RR + SOFC sehr flexibel. Dies ermöglicht sowohl einen sehr sparsamen Stand-by Betrieb bei niedriger Temperatur des RR, um sogar einen längeren Stillstand des VM zu überbrücken, als auch einen Vollast Betrieb für Beschleunigungsvorgänge.Since only the sum of the fuel gas produced by the RR amount CO + H 2 enters into the energy balance of SOFC and these in the operating temperature ranges of RR from 450 to 950 ° C (the BZ from 800 to 950 ° C, more recently 650 to 950 ° C possible) is largely independent of the respective temperature, the combination RR + SOFC is very flexible. This allows for very low-temperature standby operation of the RR to even bridge a longer standstill of the VM, as well as full load operation for acceleration operations.

Die Regelung wird dadurch sehr einfach. Die Versorgung des RR mit Kraftstoffgas wird vorteilhafter weise proportional zu der des Verbrennungsmotors geregelt bis zur maximalen Leistung der BZ und darüber konstant gehalten, oder sogar leicht abgeregelt wegen des erhöhten CO-Angebots im Abgas, siehe oben.The Regulation becomes very easy. Supplying the RR with fuel gas is advantageously proportional to that of the internal combustion engine regulated to the maximum power of the BZ and above it constant held, or even slightly eased because of the increased CO supply in the exhaust, see above.

Die Kombination VM + RR + BZ wird so ausgelegt, daß sie den optimalen Wirkunsgrad bei Teillast Betrieb hat; also in dem Fahrleistungs mäßig häufigsten Betriebszustand, in dem andere Hybrid Systeme keine oder nur eine geringe Wirkung entfalten.The Combination VM + RR + BZ is designed to give optimum efficiency operating at part load; So in the mileage moderately common Operating state in which other hybrid systems no or only one show little effect.

Wichtige Voraussetzungen für eine erfolgreiche Umsetzung dieser Kombination sind:

  • – Eine weitgehende Ausnutzung der Wärmeenergie des VM Abgases und des BZ Restgases.
  • – Eine kompakte, ggf. integrierte Bauweise des RR und der BZ zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur in weiten Bereichen des Betriebes vom Stand-by Modus bis zum Vollast Betrieb.
  • – Ein Vorheizen des Kraftstoffes und des Wasserdampfes für den RR als auch der Luft für die BZ
  • – Eine gute thermische Wärme- und Strahlungsisolation des RR und der BZ.
Important prerequisites for a successful implementation of this combination are:
  • - An extensive utilization of the heat energy of the VM exhaust gas and the BZ residual gas.
  • - A compact, possibly integrated design of the RR and the BZ to maintain the operating temperature in wide areas of operation from standby mode to full load operation.
  • - Preheating the fuel and water vapor for the RR and the air for the BZ
  • - A good thermal heat and radiation isolation of the RR and the BZ.

Durch die sehr gute Wärmeisolierung der kompakten Kombination RR + BZ + Shift Reaktor (SR) mit, z. B. Hochtemperatur Faserplatten aus SiO2 und Al2O3, können auch längere Standzeiten des KFZ, vorteilhafter weise in einem Stand-by Betrieb, überbrückt werden und die dabei entstehende elektrische Energie zur Ladung der größer ausgelegten z. B. einer Li-Ionen Batterie genutzt werden.Due to the very good thermal insulation of compact combination RR + BZ + shift reactor (SR) with, z. As high-temperature fiberboards of SiO 2 and Al 2 O 3 , longer life of the car, advantageously, in a standby mode, can be bridged and the resulting electrical energy to charge the larger sized z. B. a Li-ion battery can be used.

Zum zusätzlichen Dauereinsatz dieser Kombination als Auxiliary Power Unit (APU), siehe unten.To the additional Continuous use of this combination as auxiliary power unit (APU), see below.

Es kann bei der Kombination VM + RR + BZ verzichtet werden auf:

  • 1. den Anlasser bei entsprechend großer Auslegung der Batterie, vorteilhafter weise eine Li-Ionen Batterie, da durch Anrollen mit den Elektromotoren gestartet werden kann.
  • 2. den Generator, da die BZ die Wiederaufladung der Batterie übernimmt.
  • 3. auf den CO(NOx, SO2)-Kathalysator, bei entsprechender Abstimmung der Kombination RR + SR + BZ.
It can be dispensed with the combination VM + RR + BZ on:
  • 1. the starter with a correspondingly large design of the battery, advantageously a Li-ion battery, since it can be started by rolling with the electric motors.
  • 2. the generator, as the BZ takes over the recharging of the battery.
  • 3. on the CO (NOx, SO 2 ) -Kathalysator, with appropriate coordination of the combination RR + SR + BZ.

Diese Einsparungen können in den RR (SR), die BZ und die Elektromotoren investiert werden.These Savings can in the RR (SR), the BZ and the electric motors are invested.

Letztere können beim Abbremsen des KFZ, wie bei einem normalen Teilhybrid KFZ, als Generatoren bei Abbremsvorgängen zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt werden. Am wirtschaftlichsten für die gestellte Aufgabe können kleinvolumige, „downsized”, aufgeladene Otto Motoren in Erd- oder Autogas oder Benzinbetrieb eingesetzt werden, wegen der durchgehend in allen Betriebsarten hohen Abgastemperatur und der hohen prozentualen Abgaswärme WAbg.The latter can be used during braking of the vehicle, as in a normal part hybrid motor vehicle, as generators during deceleration processes for the production of electrical energy. The most cost-effective for the task set small-volume, "downsized", supercharged Otto engines in natural gas or LPG or gasoline operation can be used because of consistently high in all modes exhaust gas temperature and high percent exhaust heat W Abg .

Bei einer entsprechend groß ausgelegten Batterie kann in Emissions geschützten Innenstadt Bereichen dann auch längere Zeit nur mit dem Elektroantrieb gefahren und erst bei niedrigen Ladezustand der Batterie der Verbrennungsmotor zugeschaltet werden.at a suitably sized battery can be protected in emissions Downtown areas then longer Time driven only with the electric drive and only at low Charge state of the battery of the internal combustion engine are switched on.

Der Nachteil der SOFC, die hohe Arbeitstemperatur, kommt bei diesem VM Abgas beschickten RR-BZ Kombinationen nicht zum Tragen, da das Aufheizen des RR und der BZ durch die Wärmeenergie WAbg erfolgt, und der RR erst nach Aufheizung mit Kraftstoff versorgt wird. Weiterhin ist die Handhabung des Festkörper-Elektrolyten in der SOFC im Vergleich zu einem flüssigen Elektrolyten unproblematischer.The disadvantage of the SOFC, the high working temperature, does not apply to this VM exhaust gas fed RR-BZ combinations, since the heating of the RR and the BZ by the heat energy W exhaust occurs, and the RR is supplied with fuel only after heating. Furthermore, the handling of the solid electrolyte in the SOFC is less problematic compared to a liquid electrolyte.

Zur Lösung der Ausdehnungs Probleme beim schnellen Aufheizen/Abkühlen der SOFC, siehe 3c, c', c'' und f.To solve the expansion problems in the rapid heating / cooling of the SOFC, see 3c , c ', c''and f.

Bei Dieselmotoren liegt eine etwas andere Ausgangssituation vor.at Diesel engines has a slightly different starting situation.

Vor allem im Leerlauf und in Unterlastbetrieb wird der Dieselmotor mit kräftigem Lustüberschuss bis zu einem Faktor 10 betrieben, um das Rußen zu vermeiden.In front idle and in under-load operation, the diesel engine with vigorous Pleasure surplus up operated at a factor of 10 to avoid sooting.

Dies führt zu niedrigen Abgastemperaturen von ca. 250 bis 350°C in Diesel Motoren und damit auch zu einem schlechteren Wirkungsgrad des VM als auch des nachgeschalteten RR. Beim Einsatz einer RR + SOFC Kombination kann und muss bei Dieselfahrzeugen der Betriebsmodus in oben angeführten Bereichen geändert werden:
Deutlich geringerer Luftüberschuss – unter Erhöhung des Wirkungsgrades des Diesel Motors – und der Einsatz einer Nachverbrennungs Stufe, siehe 5b, um mit dem im Abgas verbleibenden Sauerstoff den Restkraftstoff und die erzeugten Rußpartikel zu verbrennen, zum Aufheizen des Abgases auf die gewünschte Arbeitstemperatur von ca. 900°C, bei welcher der nachfolgende RR, ggf. unter zusätzlicher Zugabe von vorerhitzten Wasserdampf optimal betrieben wird. Dieser Nachbrenner ersetzt und erübrigt den Abgas Rußfilter bei Diesel-KFZs.
This leads to low exhaust gas temperatures of about 250 to 350 ° C in diesel engines and thus also to a lower efficiency of the VM and the downstream RR. When using an RR + SOFC combination, the operating mode in diesel vehicles can and must be changed in the above mentioned ranges:
Significantly lower excess air - increasing the efficiency of the diesel engine - and the use of a post-combustion stage, see 5b to burn with the oxygen remaining in the exhaust gas, the residual fuel and the generated soot particles, for heating the exhaust gas to the desired working temperature of about 900 ° C, at which the subsequent RR, optionally with the additional addition of preheated water vapor is optimally operated. This afterburner replaces and eliminates the exhaust gas soot filter in diesel vehicles.

Die Investitionen für die hier angemeldeten kompakten Versionen von Reformer Reaktoren und Brennstoffzellen, insbesondere der SOFC, sollten sich bei mittlerer Laufleistung rechnen, insbesondere wenn diese in größerer Serie ggf. in Standardausführung gefertigt werden. Ein Einsatz als geräuschlose Stand Elektroversorgung zur Heizung und insbesondere zur Kühlung von KFZ bzw. LKW(Kühl-)Transporter ist ebenfalls sehr preiswert möglich. Hier entfällt im Standbetrieb das normale Abgas und wird durch eine vorgesehene geregelte Luftverbrennung von Kraftstoff, siehe 5b, und eine zusätzliche Zugabe von Wasserdampf H2O g gewährleistet.Investments in the compact versions of reformer reactors and fuel cells, particularly the SOFC, announced here, should pay off at average mileage, especially if they are manufactured as standard in a larger series. A use as a noiseless electric power supply for heating and especially for cooling of vehicles or trucks (refrigerated) transporter is also very inexpensive. In normal operation, the normal exhaust gas is omitted here and is provided by a planned regulated air combustion of fuel, see 5b , and ensures an additional addition of water vapor H 2 O g.

Ein Eingliedern eines Abgas Turboladers für den Verbrennungsmotors, ggf. mit einer Abzweigung auch für die anodenseitige, Durchfluß steigernde Beschickung der BZ mit Frischluft, ist vor bzw. hinter der RR + BZ Kombination vorgesehen, wobei der Antrieb des Turboladers von der Luftförderung getrennt ist, siehe 5a.Integrating an exhaust gas turbocharger for the internal combustion engine, possibly with a branch also for the anode-side, flow-increasing loading of the BZ with fresh air, is provided in front of and behind the RR + BZ combination, wherein the drive of the turbocharger is separated from the air transport, please refer 5a ,

Für die Brenngas-Beschickung einer Mitteltemperatur BZ mit Flüssig-Elektrolyt wird aus dem RR H2 und ggf. einem SR durch eine H2 permeable Wand H2 abgetrennt, hier vorteilhafter weise als Innen Beschichtung eines Röhrensystems aus poröser Keramik mit einer innen aufgedampften Pd-Ag Schicht von ca. 25 μ Dicke.For the fuel gas feed of a medium temperature BZ with liquid electrolyte is separated from the RR H 2 and possibly an SR by a H 2 permeable wall H 2 , here advantageously as the inner coating of a tube system made of porous ceramic with a vapor-deposited Pd Ag layer of about 25 μ thickness.

Da diese Brennstoffzellen, z. B. eine bei ca. 600 bis 700 C betriebene Karbonat Schmelzen-BZ, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) oder eine bei ca. 200°C betriebene BZ mit Phosphorsäure-Elektrolyt, eine „Phosphoric Acid Fuel Cell” (PAFC) nur H2 und kein CO Gas verarbeiten können und sehr empfindlich auf Schwefel Verunreinigungen ist, wird der mit einer RR und SR Stufe zweistufig ausgelegt und beide mit der H2-Abtrennung ausgestattet.Since these fuel cells, z. B. operated at about 600 to 700 C carbonate melt BZ, Molten Carbonates Fuel Cell (MCFC) or operated at about 200 ° C BZ with phosphoric acid electrolyte, a "Phosphoric Acid Fuel Cell" (PAFC) only H 2 and no CO gas can handle and very sensitive In the case of sulfur impurities, the two stages are designed with one RR and SR stage and both are equipped with H 2 separation.

Die erste Stufe ist ein Hochtemperatur-Reformer, wie er für die SOFC vorgesehen ist, und die zweite Stufe ist ein Mitteltemperatur-Shift Reaktor (SR) in dem vorteilhafter Weise unter Einsatz von Katalysatoren, z. B. aus Nickel- und Eisenoxid, der nicht reformierte CO Anteil mit H2O gemäß der Reaktionsgleichung CO + H2O → CO2 + H2 (7)vollständig in CO2 umgesetzt wird unter weiterer Produktion von Wasserstoff H2.The first stage is a high temperature reformer, as provided for the SOFC, and the second stage is a medium temperature shift reactor (SR), advantageously using catalysts, e.g. B. from nickel and iron oxide, the non-reformed CO content with H 2 O according to the reaction equation CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (7) is completely converted into CO 2 with further production of hydrogen H 2 .

Der in dem SR erzeugte Wasserstoff H2 kann auch zur Beschickung einer zweiten Mitteltemperatur BZ genutzt werden, siehe 3d. Eine solche Kombination RR + SOFC mit einer nachgeschalteten Kombination SR + PAFC oder SR + MCFC erlaubt den Wärmeinhalt des Abgases und der SOFC optimal auszunutzen, dabei kann die nachgeschaltete Kombination in der Leistung deutlich kleiner ausgelegt werden.The hydrogen H 2 generated in the SR can also be used to feed a second mean temperature BZ, see 3d , Such a combination RR + SOFC with a downstream combination SR + PAFC or SR + MCFC allows optimal use of the heat content of the exhaust gas and the SOFC, while the downstream combination can be made significantly smaller in performance.

Stand der TechnikState of the art

Bisher wurden Reformer- und Shift-Reaktoren mit autonomer Befeuerung eingesetzt, zur vorgeschalteten Produktion eines Brenngases, z. B. H2 und CO, für Brennstoffzellen.So far, reformer and shift reactors with autonomous firing were used for the upstream production of a fuel gas, eg. As H 2 and CO, for fuel cells.

In dieser Anmeldung wird das Abgas vornehmlich von KFZ's in vielfältiger Weise vorteilhaft verwendet:

  • – Zur Vorheizung sowohl der Reformer Reaktoren als auch der Brennstoffzellen.
  • – Als Wärmeenergie Quelle für die endothermen Reaktionen des eingesetzten Kraftstoffes mit dem Abgas für die Oxidation mit Wasserdampf H2Og.
  • – Der Überschuss an CO2 des Abgases wird zur Verschiebung des im Reformer erzeugten CO/CO2 Gemisches in Richtung zu mehr CO Gehalt verwendet.
  • – Das Abgas wird als Träger- und Puffergas verwendet für die in der Brennstoffzelle zu verwertenden, reagierenden Verbindungen, in der Hauptsache H2 und ggf. CO und dem Restgehalt des Abgases an CO als Brenngas.
In this application, the exhaust gas is mainly used advantageously by motor vehicles in many ways:
  • - For preheating both the reformer reactors and the fuel cells.
  • - As a thermal energy source for the endothermic reactions of the fuel used with the exhaust gas for the oxidation with water vapor H 2 Og.
  • - The excess CO 2 of the exhaust gas is used to shift the CO / CO 2 mixture generated in the reformer towards more CO content.
  • - The exhaust gas is used as a carrier and buffer gas for the reacting compounds to be utilized in the fuel cell, mainly H 2 and possibly CO and the residual content of the exhaust gas to CO as fuel gas.

Bei entsprechender Auslegung des RR und eines nachgeschalteten Shift Reaktors ggf. mit Katalysator(en) und in Serie oder in Reihe geschalteten Brennstoffzellen kann vorteilhafter weise auf einem Katalysator zur Abgasreinigung verzichtet werden.at appropriate interpretation of the RR and a downstream shift Reactor optionally with catalyst (s) and in series or series fuel cells can advantageously on a catalyst for exhaust gas purification be waived.

Insbesondere bei SOFC-Zellen, die neben Wasserstoff H2 gleichwertig auch Kohlenmonoxid CO als Reaktionsgase mit gleicher Rate von jeweils 2 e pro Molekül in elektrische Energie umwandeln, geht nicht der im Reformer erzeugte, wechselseitig sich ändernde Anteil von H2 zu CO sondern nur deren Summenmenge in die final gewonnene elektrische Energie der BZ ein.In particular, in SOFC cells, in addition to hydrogen H 2 equivalent carbon monoxide CO as reaction gases at the same rate of 2 e - convert per molecule into electrical energy, is not the mutually changing proportion of H 2 to CO generated in the reformer, but only their total amount in the final won electrical energy of the BZ.

Somit hängt die elektrische Ausbeute bei gleichen Kraftstoff Einsätzen in den Arbeitsgrenzen (400 bzw. 600 bis 950°C) des Reformers als auch der SOFC nicht stark von deren Temperaturen ab.Consequently depends on that electrical yield at same fuel inserts in the working limits (400 or 600 to 950 ° C) of the reformer as well as the SOFC not strongly dependent on their temperatures.

Mit der Kombination VM-RR-SOFC kann unter optimalen Bedingungen eine Erhöhung des Wirkungsgrades um einen Faktor 1,55 erreicht werden, siehe oben.With The combination VM-RR-SOFC can under optimal conditions a increase the efficiency can be achieved by a factor of 1.55, see above.

Eine SOFC Konfiguration wird vorgestellt, die schnelle, vielmalige Aufheiz/Abkühlungs Zyklen ermöglicht.A SOFC configuration is presented, which allows fast, multiple heating / cooling cycles.

Figurencharacters

Die Abbildungen 1 bis 5 illustrieren die wichtigsten Teile der Kombination VM, Abgas beschickten RR, SR und BZ, sowie die eines Abgas getriebenen Frischluft-Turboladers und einer Zusatzheizung des Abgases.The pictures 1 to 5 illustrate the key parts of the combination VM, exhaust-fed RR, SR and BZ, as well as an exhaust-driven fresh air turbocharger and an auxiliary heating of the exhaust gas.

Die RR + SR Anordnungen und deren Arbeitstemperaturen werden optimal angepasst an die zu verwendenden Brennstoffzellen.The RR + SR arrangements and their working temperatures will be optimal adapted to the fuel cells to be used.

Die Festoxid-BZ, SOFC, wird bei (600) 800–950°C mit H2 + CO als Brenngas und Luftsauerstoff betrieben, die Karbonat Schmelzen-BZ, Molten Carbonate Fuell Cell (MCFC), bei 600–700°C mit H2 und recycleten CO2 und Luftsauerstoff, die Phosphorsäure-BZ, Phosphoric Acid Fuell Cell (PAFC), bei 200–250°C mit H2 und Luftsauerstoff.The solid oxide BZ, SOFC, is operated at (600) 800-950 ° C with H 2 + CO as fuel gas and atmospheric oxygen, the carbonate melt BZ, Molten Carbonate Fuell Cell (MCFC) at 600-700 ° C with H 2 and recycled CO 2 and atmospheric oxygen, the phosphoric acid BZ, Phosphoric Acid Fuell Cell (PAFC), at 200-250 ° C with H 2 and atmospheric oxygen.

In 1 und 2 werden schematisch zwei verschiedene Anordnungen, insbesondere für eine SOFC und eine MCFC gezeigt, in 3 und 4 je eine kompakte Konfiguration in zwei Versionen mit einer Ausdehnungs kompensierten SOFC.In 1 and 2 schematically two different arrangements, in particular for a SOFC and a MCFC are shown in FIG 3 and 4 each a compact configuration in two versions with an expansion compensated SOFC.

Diese Figuren stellen jeweils eine Konfiguration von RR, SR und BZ dar. Vielfältige Kombinationen, insbesondere der Austausch von Einzelkomponenten sind möglich. Ebenso können verschiedenen gasförmige, flüssige als auch feste Kraftstoffe (bei Normal Bedingungen) als vorerhizte Brenngase für den RR und SR und somit die verwendete BZ eingesetzt werden.These Figures each represent a configuration of RR, SR and BZ. diverse Combinations, in particular the replacement of individual components are possible. Likewise different gaseous, liquid as well as solid fuels (in normal conditions) as preheated Fuel gases for the RR and SR and thus the used BZ.

1a: Längsschnitt durch einen mit Verbrennungsmotor Abgas 1 geheizten Reformer Reaktor RR 3 mit Kraftstoffgas 2g Zufuhr und Heizung durch das BZ 10 Restgas mittels eines Wärmetauschers 19. 1a : Longitudinal section through a combustion engine with exhaust gas 1 heated reformer reactor RR 3 with fuel gas 2g Supply and heating by the BZ 10 Residual gas by means of a Wärmetau exchanger 19 ,

1b: Längsschnitt durch einen RR 3'' mit Katalysator Füllung 9 und Rückführung des BZ Restgases durch eine Zuleitung 26' mit Strahlpumpe 21. 1b : Longitudinal section through a RR 3 '' with catalyst filling 9 and returning the BZ residual gas through a supply line 26 ' with jet pump 21 ,

1c: Schematischer Längsschnitt durch eine Hochtemperatur Festoxid-BZ 10 mit kathodenseitiger Brenngas (a H2 + b CO) Zufuhr aus dem RR 3 mit anodenseitiger vorerhitzter Luftzufuhr. 1c : Schematic longitudinal section through a high-temperature solid oxide BZ 10 with cathode-side fuel gas (a H 2 + b CO) supply from the RR 3 with anode-side preheated air supply.

2a und b: Längsschnitte durch einen RR 3' mit vorerhitzter Kraftstoffgas 2g und Wasserdampf 22g Zufuhr und einen Shift Reaktor 23 mit Katalysator 18 Füllung, beide mit einem wendelartigen Wasserstoff H2 Abscheider 6, bestehend aus porösen Keramik Röhren 6' mit einer Pd-Ag Innenwand Beschichtung 7. 2a and b: longitudinal sections through an RR 3 ' with preheated fuel gas 2g and water vapor 22g Feed and a shift reactor 23 with catalyst 18 Filling, both with a helical hydrogen H 2 separator 6 consisting of porous ceramic tubes 6 ' with a Pd-Ag inner wall coating 7 ,

2c: Längsschnitt durch eine Phosphorsäure-BZ 10'' mit kathoden – 5 seitiger H2 und anoden – 4 seitiger vorerhitzter Luftzufuhr. 2c : Longitudinal section through a phosphoric acid BZ 10 '' with cathodes - 5 sided H 2 and anodes - 4 sided preheated air supply.

3a und c: Längs- und Querschnitt durch eine Hochtemperatur Festoxid-BZ 10, deren Einzelzellen 51 die Form von Zylinder Halbschalen 50 haben, angeordnet in einer bi-konzentrischen Helix Wendelstruktur mit einem integrierten RR 13 mit Kraftstoffgas 2g Rohr 25 und einem vorerhitzten Luftzufuhr Rohr 29, sowie einem Thermo Isoliermantel 45, mit 3a and c: longitudinal and cross section through a high temperature solid oxide BZ 10 , their single cells 51 the shape of cylinder half shells 50 have arranged in a bi-concentric helix helical structure with an integrated RR 13 with fuel gas 2g pipe 25 and a preheated air supply pipe 29 , as well as a thermo insulating jacket 45 , With

3c' und c'': Ausschnittsvergrößerung der Überlappung 56 zweier Einzel BZ Zellen 51 in Quersschnitt und in der Draufsicht mit einer Keramik Isolierbahn 48 und einer Nickel Verbindungsfahne 46', sowie einer Unterbrechung/Einschnürung 63 der Zylinder Teilschalen in Einzel Segmente 51', 52''. 3c ' and c '': detail enlargement of the overlap 56 two single BZ cells 51 in cross-section and in plan view with a ceramic insulating sheet 48 and a nickel connection banner 46 ' , as well as an interruption / constriction 63 the cylinder subshells in single segments 51 ' . 52 '' ,

3b: Shift Reaktor 23 wie in 2b mit H2 Abscheider 6 und vorerhitzter Wasserdampf 22g Zufuhr, sowie einem Kraftstofftank 56 und einem Wassertank 57. 3b : Shift reactor 23 as in 2 B with H 2 separator 6 and preheated steam 22g Feeder, as well as a fuel tank 56 and a water tank 57 ,

3d: Längsschnitt durch einen Mitteltemperatur Phosphorsäure-BZ 10'' versorgt mit H2 aus dem SR 23. 3d : Longitudinal section through a medium temperature phosphoric acid BZ 10 '' supplied with H 2 from the SR 23 ,

3e: Längsschnitt durch den Mittelteil eines in der BZ 10 integriertem RR 13' mit einem koaxialen Wärmetauscher 19 zum Recyclen des erhitzten BZ 10 Restgases. 3e : Longitudinal section through the middle part of one in the BZ 10 integrated RR 13 ' with a coaxial heat exchanger 19 to recycle the heated BZ 10 Residual gas.

3f: Querschnitt durch den Mittelteil einer BZ 10' mit integriertem RR 13' in Form einer Doppel-Helix aus mäanderartig aneinander gesetzten Rechteck Flächen 50'. 3f Cross section through the middle part of a BZ 10 ' with integrated RR 13 ' in the form of a double helix of meandering rectangle surfaces 50 ' ,

4a und b: Längs- und Querschnitt durch eine Hochtemperatur Festoxid-BZ 10' bestehend aus röhrenförmigen, einseitig offenen Einzel BZ Elementen 40 angeordnet in vier Reihen mit vorerhitzter Luftzufuhr durch Innenröhren 44 um das mittig angeordnete, rechteckige Wärmetauscher 19 Rohr 27 im vorgeschalteten RR 13'. 4a and b: longitudinal and cross section through a high temperature solid oxide BZ 10 ' consisting of tubular, single-sided single BZ elements 40 arranged in four rows with preheated air supply through inner tubes 44 around the centrally located, rectangular heat exchanger 19 pipe 27 in the upstream RR 13 ' ,

4c: Ausschnittsvergrößerung der röhrenförmigen Einzel BZ 51 bestehend aus porösem Keramikmantel 47 mit Kathodenschicht 15, dem Festelektrolyten 17 und der Anodenschicht 14 verbunden über Nickelpuffer 48 und Nickelfahnen 46. 4c : Detailed view of the tubular single BZ 51 consisting of porous ceramic sheath 47 with cathode layer 15 , the solid electrolyte 17 and the anode layer 14 connected via nickel buffer 48 and nickel flags 46 ,

5a: Abgas 1 getriebener Turbolader 60 mit einer getrennten Turbine 58 und einem Radialgebläse 54. 5a : Exhaust 1 driven turbocharger 60 with a separate turbine 58 and a radial fan 54 ,

5b: Zusatzheizung 61 für Diesel Motoren. 5b : Additional heating 61 for diesel engines.

Figurenbeschreibungfigure description

1a und b sind schematisch im Längsschnitt mit Abgas 1 beschickte Reformer Reaktoren RR 3 und 3'' gezeigt, in die ein vorerhitzter, gasförmiger Kraftstoff 2g aus Kohlenwasserstoffen CmHn über eine Zuleitung 25 zugegeben wird. 1a and b are schematic longitudinal section with exhaust gas 1 fed reformer reactors RR 3 and 3 '' shown in which a preheated, gaseous fuel 2g from hydrocarbons CmHn via a supply line 25 is added.

Das Abgas 1 wird möglicht nah an den Zylindern des Otto oder Diesel Motors, also an dem Abgaskrümmer 16 abgenommen.The exhaust 1 is possible close to the cylinders of the gasoline or diesel engine, so on the exhaust manifold 16 decreased.

Der gasförmige Energieträger 2g wird durch einen Wärmetauscher 19 z. B. über dem Luftauslass 31 (N2 + (O2)) der Brennstoffzelle BZ 10 erhitzt und bei flüssigem Energieträger 2f, wie z. B. Benzin- oder Dieselkraftstoffen ggf. zusätzlich durch einen Wärmetauscher (19'') über dem Auspuffrohr 36 (nicht eingezeichnet) verdampft.The gaseous energy source 2g is through a heat exchanger 19 z. B. over the air outlet 31 (N2 + (O2)) of the fuel cell BZ 10 heated and liquid fuel 2f , such as As gasoline or diesel fuels possibly additionally by a heat exchanger ( 19 '' ) above the exhaust pipe 36 (not shown) evaporated.

Das Kraftstoffgas 2g reagiert in dem RR 3 mit dem im Abgas enthaltenen Bestandteilen CO2, (CO), und H2O gemäß der schematischen Gl. 1 zu a H2 + (b + b') CO, wobei H2 und CO das Brenngas für die Hochtemperatur Brennstoffzelle SOFC 10 sind, und a und b, b' Faktoren in mol, siehe oben.The fuel gas 2g responds in the RR 3 with the components contained in the exhaust gas CO 2 , (CO), and H 2 O according to the schematic Eq. 1 to a H 2 + (b + b ') CO, where H 2 and CO are the fuel gas for the high-temperature fuel cell SOFC 10 are, and a and b, b 'factors in mol, see above.

Im RR 3 sind an der Außenwandung und auf dem Wärmetauscher 19 Rohr abwechselnd Hohlzylinder förmige Umlenkstege 33 angeordnet, um die Reaktionszeit zu verlängern. Ggf. können diese mit einem Katalysator belegt sein.In the RR 3 are on the outer wall and on the heat exchanger 19 Pipe alternately hollow cylinder shaped deflecting webs 33 arranged to extend the reaction time. Possibly. These can be covered with a catalyst.

Die Reaktionen gemäß Gl. 1 können sich im Kathodenraum des BZ 10 fortsetzen, so daß dieser ein wesentlicher Teil des RR 3 wird.The reactions according to Eq. 1 can be in the cathode compartment of the BZ 10 so that this is an essential part of the RR 3 becomes.

Bei Bedarf kann über ein Ventil 12 und eine Zuleitung 24 zusätzlicher, in einem Wärmetauscher 19'' vorerhitzter Waserdampf H2Og am Eingang des RR 3 (3'') dem Abgas 1 und dem Kraftstoff 2g zugegeben werden.If necessary can be via a valve 12 and a supply line 24 additional, in a heat exchanger 19 '' Waser preheated steam H 2 Og at the input of RR 3 ( 3 '' ) the exhaust gas 1 and the fuel 2g Trains will give.

In 1c ist schematisch der Längsschnitt einer Hochtemperatur BZ 10, einer SOFC, mit Kathode 5 und Anode 4 und dem Festoxid Elektrolyten 17 dazwischen gezeigt. Anodenseits wird der BZ 10 Luft zugeführt, die in einem Wärmetauscher 19'' über dem Auspuffrohr 36 der BZ 10 vorerhizt wurde.In 1c is schematically the longitudinal section of a high temperature BZ 10 , a SOFC, with cathode 5 and anode 4 and the solid oxide electrolyte 17 shown in between. Anodenseits becomes the BZ 10 Air supplied in a heat exchanger 19 '' above the exhaust pipe 36 the BZ 10 was preheated.

Diese Brenngas, a H2 + (b + b')CO, wird mit dem Trägergas aus N2, CO2 und ggf. restlichem H2O Dampf in den Kathodenraum der SOFC 10 eingelassen. Diese Brenngas reagiert mit den (a + b + b')O Ionen, die anodenseits durch Aufnahme zweier Elektronen aus dem Luftsauerstoff entstehen und durch den Festoxid Elektrolyten diffundieren, und kathodenseits gemäß den Gl. 3 und 4 reagieren unter Produktion von a H2O + (b + b')CO2 und der Ladungsmenge Q = 2(a + b + b')e, welche über die angeschlossene Last an die Anode abgegeben wird.This fuel gas, a H 2 + (b + b ') CO, with the carrier gas from N 2 , CO 2 and possibly residual H 2 O steam in the cathode compartment of the SOFC 10 admitted. This fuel gas reacts with the (a + b + b ') O - ions, which on the anode arise by taking up two electrons from the atmospheric oxygen and diffuse through the solid oxide electrolyte, and on the cathode side according to Eq. 3 and 4 react to produce a H 2 O + (b + b ') CO 2 and the amount of charge Q = 2 (a + b + b') e - which is delivered to the anode via the connected load.

In 1a wird das erhitzte Abgas der SOFC, bestehend aus Trägergas, siehe oben, und a H2O + (b + b')CO in einer Recycle Leitung 26 und den Wärmetauscher 19 zurück durch den Reform Reaktor 3 geleitet und hält diesen auf einer konstanten Reaktionstemperatur von ca. 600 bis 950°C, siehe unten.In 1a is the heated exhaust gas of SOFC, consisting of carrier gas, see above, and a H 2 O + (b + b ') CO in a recycle line 26 and the heat exchanger 19 back through the reform reactor 3 and keeps it at a constant reaction temperature of about 600 to 950 ° C, see below.

In 1b wird das Restgas der BZ 10 durch die Leitung 26 in die Verengung 38 der Abgas Zuleitung 16 geführt, die als Strahlpumpe 21 ausgebildet ist, und so angesaugt wieder durch den RR 3'' geführt, der mit einem porösen Katalysator 9, z. B. Ni und Fe Oxid, ausgefüllt ist. Eine Verengung 39 im Auspuffrohr 36 am Ende des RR 3'' staut den Gasfluß auf und leitet den Hauptstrom durch die BZ 10.In 1b becomes the residual gas of the BZ 10 through the pipe 26 in the constriction 38 the exhaust gas supply line 16 led, as a jet pump 21 is trained, and so sucked back through the RR 3 '' led, with a porous catalyst 9 , z. As Ni and Fe oxide, is filled. A narrowing 39 in the exhaust pipe 36 at the end of the RR 3 '' accumulates the gas flow and directs the main flow through the BZ 10 ,

Direkt hinter der Ausgangs Verengung 39 ist ein Sperrventil Stößel 35 eingesetzt, der über eine Feder und eine magnetische Spule 37 im Teiltakt des VM geöffnet und geschlossen wird. Die Öffnungs und Schließ Frequenz der Spule 37 kann bei einem Viertakt VM etwa 1/4 bis 1/64 der Umdrehungs Frequenz des VM betragen. Die Öffnungs und Schließ Intervalle werden auf maximale Ladungs Ausbeute Q in der BZ 10 optimiert.Right behind the exit narrowing 39 is a check valve plunger 35 used, which has a spring and a magnetic coil 37 is opened and closed in the partial cycle of the VM. The opening and closing frequency of the coil 37 may be about 1/4 to 1/64 of the revolution frequency of the VM in a four-stroke VM. The opening and closing intervals are based on maximum charge Q in the BZ 10 optimized.

Im Wärmetauscher 19 kann im RR-3 Bereich ein Katalysator 28 für das Rest CO sowie SOx ebenso im Auspuffrohr 36 eingesetzt werden, welcher das nicht reagiertes Rest CO sowie die Spuren SOx und NOx in CO2 und unschädliche Sulfid und Stickstoff Verbindungen umsetzt, bevor das Abgas 11 der Auspuffleitung 36 zugeführt wird.In the heat exchanger 19 can in the RR 3 Area a catalyst 28 for the rest CO and SO x also in the exhaust pipe 36 be used, which converts the unreacted remainder CO and the traces SO x and NO x in CO 2 and harmless sulfide and nitrogen compounds before the exhaust gas 11 the exhaust pipe 36 is supplied.

In 2a und b ist im Längsschnitt ein Hochtemperatur-Reformer-3' und ein Mitteltemperatur Shift Reaktor 23 gezeigt. Ersterer ist direkt an den Abgaskrümmer 16 angeflanscht und wird durch eine Zuleitung 25 mit Kraftstoffgas 2g beschickt, welches über einen Wärmetauscher 19 der zwischen den beiden Reaktoren 3' und 23 eingesetzt ist, vorerhitzt wird. Ggf. kann ebenfalls über einen Wärmertauscher 19''' verdampftes und vorerhitztes H2Og über eine Zuleitung 24 zugegeben werden.In 2a and b is a longitudinal section of a high-temperature reformer 3 ' and a medium temperature shift reactor 23 shown. The former is directly to the exhaust manifold 16 Flanged and is through a supply line 25 with fuel gas 2g charged, which has a heat exchanger 19 the between the two reactors 3 ' and 23 is used, is preheated. Possibly. can also have a heat exchanger 19 ''' vaporized and preheated H 2 Og via a supply line 24 be added.

In dem Reformer 3' laufen bei Temperaturen über 600°C die Reaktionen nach der Gl. 1 ab. Der nicht in CO2 umgesetzte CO Anteil reagiert in dem nachgeschalteten Shift Reaktor 23 mit dem zusätzlich zugegebenen H2Og bei Temperaturen von 400 bis 600°C gemäß Gl. 7 unter weiterer Produktion von H2 unter Mithilfe eines Ni und Fe Oxid Katalysators 18.In the reformer 3 ' Run at temperatures above 600 ° C, the reactions to the Eq. 1 off. The CO fraction not converted into CO 2 reacts in the downstream shift reactor 23 with the additionally added H 2 Og at temperatures of 400 to 600 ° C according to Eq. 7 with further production of H 2 using a Ni and Fe oxide catalyst 18 ,

In beide Reaktoren 3' und 23 sind über den ganzen Innenquerschnitt Wendel Schlangen eines H2 Abscheiders 6 angeordnet, die aus porösen Keramik Röhrchen 6' bestehen, welche auf der Innenwandung mit einer Palladium-Silber Schicht, von nur ca. 25 μm Dicke, belegt sind.In both reactors 3 ' and 23 are over the entire inner cross section Wendel snakes of an H 2 separator 6 arranged, made of porous ceramic tubes 6 ' exist, which are on the inner wall with a palladium-silver layer, only about 25 microns thick, are occupied.

Das auf diese Weise abgetrennte H2 Gas wird über eine Förderpumpe 34 abgesaugt und kathodenseits einer PAFC Mitteltemperatur Brenstoffzelle 10'' zugeführt.The separated in this way H 2 gas is via a feed pump 34 aspirated and cathode side of a PAFC medium temperature Brenstoffzelle 10 '' fed.

Der aus der Reaktion, Gl. 4 im Kathodenraum der BZ 10'' gebildete H2O Dampf wird kondensiert und wieder verdampft dem SR 23 und ggf. den RR 3' über die Zuleitung 24 und durch ein Ventil 12' gesteuert zugeführt. Anodenseits wird der BZ 10'' Luftsauerstoff zugeführt, der in einem Wärmertauscher 19'' um die Abgasleitung 36 der beiden Reaktoren 3' und 23 vorerhitzt wurde.The one from the reaction, Eq. 4 in the cathode compartment of the BZ 10 '' formed H 2 O vapor is condensed and re-evaporated the SR 23 and possibly the RR 3 ' over the supply line 24 and through a valve 12 ' controlled supplied. Anodenseits becomes the BZ 10 '' Supplied to atmospheric oxygen, in a heat exchanger 19 '' around the exhaust pipe 36 of the two reactors 3 ' and 23 was preheated.

In 3a bis c sind der Längs- und der Querschnitt gezeigt, durch eine kompakte, Zylinder förmige Hochtemperatur Brennstoffzelle 10 mit einem Festoxid-Elektrolyten, einer SOFC, mit einem integriertem RR 13, einer Konfiguration, die für den Einsatz in einem KFZ geeignet ist.In 3a to c are the longitudinal and the cross section shown by a compact, cylindrical high-temperature fuel cell 10 with a solid oxide electrolyte, a SOFC, with an integrated RR 13 , a configuration that is suitable for use in a motor vehicle.

Sie besteht aus je 2,5–3 Windungen einer bi-konzentrischen Doppelhelix eines porösen Trägermantels 47, 47' aus, z. B. Zirkonoxid (ZrO2), deren Zylinder Teilschalen 50 durch Sintern an den überlappenden, ggf. verzahnten Stoßstellen 56 fest zusammengefügt sind, siehe 3c'.It consists of 2.5-3 turns of a bi-concentric double helix of a porous carrier coat 47 . 47 ' out, z. As zirconium oxide (ZrO 2 ), the cylinder shells 50 by sintering at the overlapping, possibly toothed joints 56 are firmly joined, see 3c ' ,

Auf diesen Zylinder Teilschalen 50 sind an den jeweils einander gegenüberliegenden Seiten der Doppelhelix 16 einzelne Brennstoffzellen 51 Konfigurationen aufgesintert, bestehend aus: einer direkt auf den Trägermantel 47, 47' aufgesinterten Kathodenschicht 15 aus z. B. Lanthan Manganat (LaMnO3), einer Elektrolytschicht aus z. B. einer Keramik Mischung aus Yttriumoxid (Y2O3) und ZrO2 und einer Anodenschicht aus z. B. einer Nickel-ZrO2 Metall-Keramik Verbindung. Die Kathoden Schichten 15 stehen sich in der Helix Windung gegenüber, durch die das H2 + CO Brenngas geleitet wird und die Anoden Schichten 14 stehen sich in der Luft führenden Helix Windung gegenüber.On these cylinders partial shells 50 are on the opposite sides of the double helix 16 individual fuel cells 51 Sintered configurations, consisting of: one directly on the carrier coat 47 . 47 ' sintered cathode layer 15 from z. B. lanthanum manganate (LaMnO 3 ), an electrolyte layer of z. B. a ceramic mixture of yttrium oxide (Y 2 O 3) and ZrO 2 and an anode layer of z. B. a nickel-ZrO 2 metal-ceramic compound. The cathodes layers 15 ste In the helix, windings are opposite, through which the H 2 + CO fuel gas is passed and the anode layers 14 stand in the air leading Helix turn opposite.

Die 16 Zellen 51 der BZ 10 sind an jeweils gegenüberliegenden Seiten der Zylinderschalen 50 durch Ni Fahnen 46' in Serie geschaltet mit einem Kathoden – 5 und einem Anoden – 4 Anschluss an den äußeren Zellen, siehe 3c'. und c''.The 16 cells 51 the BZ 10 are on opposite sides of the cylinder shells 50 by Ni flags 46 ' connected in series with a cathode 5 and an anode 4 connection to the outer cells, see 3c ' , and c ''.

Die mittlere Krümmung der Zylinder Teilschalen BZ Zellen 51 ist so gewählt, daß die verschiedenen Ausdehnungen des Trägermantels 47, 47' und der drei Lagen der Kathoden – 15, der Elektrolyt – 17 und der Anoden – 14 Schichten weitgehend kompensiert werden.The mean curvature of the cylinder subshells BZ cells 51 is chosen so that the different dimensions of the carrier shell 47 . 47 ' and the three layers of the cathode - 15, the electrolyte - 17 and the anode - 14 layers are largely compensated.

Entlang der Zylinder Länge sind die BZ Zellen 51 nochmals in schmalere Einzel Segmente 51', 51'' unterteilt, indem in den Zylinder Teilschalen entlang des Umfangs Dehnungsfugen 63 angeordnet sind, in denen entweder die Elektrolyt Schicht 17 verjüngt oder diese durch eine dünne, gasdichte Keranik Isolierbahn 64 mit passendem Ausdehnungs Koeffizienten ersetzt ist.Along the cylinder length are the BZ cells 51 again in narrower individual segments 51 ' . 51 '' divided by dividing into the cylinder subshells along the perimeter expansion joints 63 are arranged, in which either the electrolyte layer 17 tapered or this through a thin, gas-tight Keranik insulating sheet 64 replaced with the appropriate coefficient of expansion.

Die BZ Zellen 51 sind gasdicht und elektrisch verbunden und Serie geschaltet, wie in der eingekreisten Ausschnitts Vergrößerung, 3c', gezeichnet.The BZ cells 51 are gas-tight and electrically connected and series connected, as in the circled detail magnification, 3c ' , drawn.

Die beiden Trägermäntel 47 und 47' sind (ggf. verzahnt) an den Stoßstellen 56 versintert und mit einer longitudinalen Isolierbahn 48 aus gasdichter Keramik mit passendem Ausdehnungs Koeffizienten und mit einer Ni(Metallkeramik-)Fahne 46' zwischen der Kathoden – 15 und der Anoden – 14 Schicht benachbarter Zellen 51 verbunden.The two carrier coats 47 and 47 ' are (possibly toothed) at the joints 56 sintered and with a longitudinal insulating track 48 made of gas-tight ceramic with matching expansion coefficient and with a Ni (metal-ceramic) flag 46 ' between the cathodes - 15 and the anodes - 14 layer of adjacent cells 51 connected.

Die innere Windung der Doppelhelix in Form eines RR 13' Rohres 27 besteht aus dichter, z. B. Al2O3 Keramik, mit verengten Ein – 38 und Auslaßrohr 39.The inner turn of the double helix in the form of a RR 13 ' pipe 27 consists of dense, z. B. Al 2 O 3 ceramic, with narrowed one - 38 and outlet pipe 39 ,

In das Rohr 27 sind Halbkreis förmige Umlenksstege 33' eingebracht, um die Reaktionsdauer zu verlängern, des vor der Verengung 38 zugegebenen Brenngases 2g mit dem VM Abgas 1 aus dem Abgaskrümmer Rohr 16 und ggf. zusätzlich zugegebenen H2O Dampf 22g.In the tube 27 are semicircular Umlenksstege 33 ' introduced to prolong the reaction time, before the constriction 38 added fuel gas 2g with the VM exhaust 1 from the exhaust manifold pipe 16 and optionally additionally added H 2 O steam 22g ,

Das innere Rohr 27 ist mit einem radialen Öffnungsschlitz 32 versehen, durch die sich der RR 13 in die kathodenseitige Helixwindung der BZ 10 fortsetzt.The inner tube 27 is with a radial opening slot 32 provided by the RR 13 in the cathode-side Helixwindung the BZ 10 continues.

In die zweite Helix Windung der BZ 10 wird durch ein über die Auslaß Verengung 39 in die Zylinder Seitenwand 30 der BZ 10 eingesindertes Rohr 29 vorerhitzte Luft eingeleitet.In the second helix winding of the BZ 10 is narrowed by an outlet over the outlet 39 in the cylinder sidewall 30 the BZ 10 suspended pipe 29 preheated air initiated.

Der Auslaß der luftführenden Helix Windung ist als geschlitzes Al2O3 Rohr 31 an diese und die gasdichte Zylinder-Ummantelung 20 der BZ 10 dicht versintert.The outlet of the air-guiding helix winding is a slotted Al 2 O 3 tube 31 to these and the gas-tight cylinder jacket 20 the BZ 10 tightly sintered.

Ein Wärmetauscher 19'' über dem Rohr 31 erhitzt die Luftzufuhr der BZ 10.A heat exchanger 19 '' over the pipe 31 heats the air supply of the BZ 10 ,

Auf der ca. 180° gegenüberliegenden Seite der Bz 10 ist ein zweites Al2O3 Rohr 26 mit der Brenngas führenden Helix Windung und der BZ-Hülle 20 versintert.On the approx. 180 ° opposite side of the Bz 10 is a second Al 2 O 3 tube 26 with the fuel gas leading helix turn and the BZ shell 20 sintered.

Dieses Rohr 26 mündet in der Einlaßverengung 38 der BZ 10, wodurch das durch die exothermen Reaktionen in der BZ 10 erhitzte Rest Brenngas durch eine Strahlpumpen 21 Öffnung angesaugt und dem RR 13 wieder zugeführt wird.This pipe 26 flows into the Einlaßverengung 38 the BZ 10 , which by the exothermic reactions in the BZ 10 heated residual fuel gas through a jet pump 21 Opening sucked and the RR 13 is fed again.

Beide Abführrohre 26 und 31 sind am anderen Ende durch eine Kugelkalotte 54 geschlossen, ebenso die Luftzuführung 29.Both discharge pipes 26 and 31 are at the other end by a spherical cap 54 closed, as well as the air supply 29 ,

Beschickt wird der RR 13 vor der Einlaßverengung 38 über das angeflanschte Abgasrohr 16 mit dem VM Abgas 1, dem weiteres Kraftstoffgas 2g über die Zuleitung 25 und ggf. zusätzlich vorerhitzter Wasserdampf 22g über die Zuleitung 24 zugeführt wird.The RR is loaded 13 before the inlet narrowing 38 over the flanged exhaust pipe 16 with the VM exhaust 1 , the other fuel gas 2g over the supply line 25 and optionally additionally preheated water vapor 22g over the supply line 24 is supplied.

In dem RR 13 laufen die endotherme Reaktion, Gl. 1 zur Produktion des Brenngases a H2 + b CO ab.In the RR 13 run the endothermic reaction, Eq. 1 for the production of the fuel gas a H2 + b CO.

Hinter der Auslaß Verengung 39, über welcher der Wärmetauscher 19' für das Kraftstoffgas 2g sitzt, ist ein Shift Reaktor 23 mit Katalysator Einlage 18 und H2 Abscheider Rohren 6', wie in 2b beschrieben, angeflanscht.Behind the outlet narrowing 39 over which the heat exchanger 19 ' for the fuel gas 2g sits, is a shift reactor 23 with catalyst insert 18 and H 2 separator pipes 6 ' , as in 2 B described, flanged.

Dieser SR 23 wird bei Temperaturen unter 500°C gefahren und durch Zugabe von weiteren vorerhitztem H2Og wird das verbleibende CO + H2O in CO2 + H2 nach Gl. 7 umgewandelt.This SR 23 is run at temperatures below 500 ° C and by adding further preheated H 2 Og the remaining CO + H 2 O in CO 2 + H 2 according to Eq. 7 converted.

Das entstehende H2 Gas wird mit einer Pumpe 34 oder einer Strahlpumpe 21 aus den H2 Abscheider Röhren 6, welche das Volumen des SR 23 wendelartig durchziehen, siehe 2b, in die Brenngas Zuleitung 25 zum RR 13 gepumpt bzw. gesaugt.The resulting H 2 gas is pumped 34 or a jet pump 21 from the H 2 separator tubes 6 indicating the volume of SR 23 pull through like a spiral, see 2 B , in the fuel gas supply line 25 to the RR 13 pumped or sucked.

Hinter der Auslaßverengung 39 kann wieder ein Sperrventil 35 mit Magnetspulen – 37 Steuerung eingebaut sein, um die Verweilzeit des Brenngases im RR 13 und in der BZ 10 zu verlängern. Das Volumen des RR 13, der SR 23 und der BZ wirken als Puffer, sodaß die Druckerhöhung durch die Pulsung des Restgas Stromes nicht so groß wird, um den VM gravierend zu choken.Behind the outlet narrowing 39 again a check valve 35 with magnetic coils - 37 Control be incorporated to the residence time of the fuel gas in the RR 13 and in the BZ 10 to extend. The volume of the RR 13 , the SR 23 and the BZ act as a buffer, so that the increase in pressure due to the pulsation of the residual gas flow is not so great as to seriously chill the VM.

In 3d ist eine Mitteltemperatur BZ 10'', z. B. eine PAFC, im Längsschnitt schematisch gezeigt, siehe auch 2c, in welche das im SR 23 abgetrennte H2 Gas anodenseits eingelassen wird.In 3d is a mean temperature BZ 10 '' , z. As a PAFC, shown schematically in longitudinal section, see also 2c , in which in the SR 23 separated H 2 gas anode is added.

Diese Kombination RR 13 + BZ 10, SOFC, + SR 23 + BZ 10'', PAFC, nutzt den Wärmeinhalt des VM Abgases und des BZ 10 Restgases als auch deren verwertbare chemische Energie optimal aus. Die PAFC Zelle kann entsprechend des H2 Anfalls aus der SR 23 mit kleinerer Leistung als die SOFC ausgelegt werden.This combination RR 13 + BZ 10 , SOFC, + SR 23 + BZ 10 '' , PAFC, uses the heat content of the VM exhaust gas and the BZ 10 Restgases and their usable chemical energy optimally. The PAFC cell can according to the H 2 from the attack SR 23 be designed with lower power than the SOFC.

Beide Stirnseiten der BZ Zelle 10 aus geschlossen poriger Keramik, z. B. Al2O3 sind mit Hilfe von eingebrachten Nuten mit den Helix Windungen und den Zufuhr 29 und den Abfluß Röhren und 26 und 31 dicht versintert.Both end faces of the BZ cell 10 made of closed porous ceramic, z. B. Al 2 O 3 are by means of introduced grooves with the helix turns and the feed 29 and the drain pipes and 26 and 31 tightly sintered.

Die 16 segmentierten Einzel Brennstoffzellen 51 haben bei den Maßen von, z. B. einer Zylinder Halbschalen-Umfangbreite b = 20 cm, Länge L = 29 cm eine elektrische Leistung von P = 750 W und eine Spannung U = 0,8 V unter Belastung. Damit ergibt sich die Ausgangs Spannung der gesamten Zelle zu 12,8 V und eine mögliche Gesamtleistung von 12 kW, bei Außenmaßen der Zelle 10 mit Durchmesser = 20 cm und Länge L = 30 cm.The 16 segmented single fuel cells 51 have the dimensions of, z. B. a cylinder half-shell circumference width b = 20 cm, length L = 29 cm electrical power of P = 750 W and a voltage U = 0.8 V under load. This results in the output voltage of the entire cell to 12.8 V and a possible total power of 12 kW, in external dimensions of the cell 10 with diameter = 20 cm and length L = 30 cm.

Als Kraftstoffgas 2g für den RR 13 kann Auto- oder Erdgas oder verdampftes Benzin, Diesel, Biodiesel oder anderer preiswerter, Schwefel armer flüssiger Kraftstoff verwendet werden.As fuel gas 2g for the RR 13 can be used car or natural gas or vaporized gasoline, diesel, biodiesel or other low-cost, low-sulfur liquid fuel.

Auch bei Zimmertemperatur, unter Normalbedingungen, feste Kraftstoffe, wie z. B. Naphthalin, C10H8, das bei der Kohle Fraktionierung bis zu etwa 11% Anteil anfällt, kann eingesetzt werden, oder auch andere (feste) CnHm-Verbindungen, welche bei Temperaturen bis ca. 400°C sieden.Even at room temperature, under normal conditions, solid fuels such. B. naphthalene, C 10 H 8 , which is obtained in the coal fractionation up to about 11% proportion, can be used, or other (solid) CnH m compounds which boil at temperatures up to about 400 ° C.

Der Schmelzpunkt von Naphthalin ist 80°C und der Siedepunkt liegt bei 210°C.Of the Melting point of naphthalene is 80 ° C and the boiling point is at 210 ° C.

Die beiden Tanks 56 und 57 für die Kraftstoffe bzw. für das H2O kann zur Vorwärmung hinter einer Wärmeisolierung (nicht eingezeichnet) um den SR 13 gruppiert werden.The two tanks 56 and 57 for the fuels or for the H 2 O can preheat behind a thermal insulation (not shown) to the SR 13 be grouped.

Die Verdampfung und die Vorerhitzung der Kraftstoffe 2g erfolgt in einem Wärmetauscher 19' um die Auslaßverengung 39 zwischen dem RR 13 und dem SR 23.Evaporation and preheating of fuels 2g takes place in a heat exchanger 19 ' around the outlet narrowing 39 between the RR 13 and the SR 23 ,

Zwei andere Versionen der RR 13', 13'' + BZ 10, 10', SOFC, Kombination sind in 3e und f als Ausschnitt im Längs- bzw. Querschnitt gezeigt, wobei der RR 13', 13'' ebenfalls in die BZ 10, 10' integriert ist. In 3e wird das Restgas Rohr 26 in den Wärmetauscher 19 verlängert und durch das Innere des RR 13' zum Wiedererhitzen zurückgeführt. In dem RR 13' sind Umleitbleche 33' aus Keramik und ggf. beschichtet mit einen Ni und/oder Fe Oxid Schicht auf dem Wärmetauscher 19 Innenrohr und dem Reformer-Außenrohr angebracht. Der weitere Aufbau mit Zuführung 26 und Auspuffleitung 36 ist wie in 3a und c beschrieben. Hier kann der SR 23 entfallen dafür ist im Wärmetauscher 19 Rohr, noch im Innenbereich des RR 13' ein Katalysator 28 für CO und SOx, wie in 1b, eingesetzt.Two other versions of the RR 13 ' . 13 '' + BZ 10 . 10 ' , SOFC, combination are in 3e and f shown as a section in the longitudinal or cross section, wherein the RR 13 ' . 13 '' also in the BZ 10 . 10 ' is integrated. In 3e becomes the residual gas pipe 26 in the heat exchanger 19 extended and through the interior of the RR 13 ' returned to reheating. In the RR 13 ' are deflectors 33 ' made of ceramic and optionally coated with a Ni and / or Fe oxide layer on the heat exchanger 19 Inner tube and the reformer outer tube attached. The further construction with feeder 26 and exhaust pipe 36 is like in 3a and c described. Here is the SR 23 This is omitted in the heat exchanger 19 Pipe, still inside the RR 13 ' a catalyst 28 for CO and SO x , as in 1b used.

In 3f ist im Querschnitt ein Ausschnitt des Mittelteil einer BZ 10' mit integriertem RR bestehend aus aneinander gesetzten Rechteck Flächen 50' gezeigt, welche mäanderartig um das RR Innenrohr 27 und das Luft Zuführungs Rohr 29' in einer Doppel-Helix angeordnet und
mit diesen und untereinander wieder an den Stoßstellen 56 und den Verbindungs Ecken 56', wie in 3c gezeichnet, verbunden sind.
In 3f is a section of the middle part of a BZ in cross section 10 ' with integrated RR consisting of juxtaposed rectangle surfaces 50 ' which meanders around the RR inner tube 27 and the air supply pipe 29 ' arranged in a double helix and
with these and with each other again at the joints 56 and the connection corners 56 ' , as in 3c drawn, connected.

Diese länglichen BZ 10' Rechteck Flächen 50' können wieder in schmalere Einzel BZ Segmente 51', 51'' mit Dehnungsfugen (63) dazwischen unterteilt sein, siehe 3c''.This elongated BZ 10 ' Rectangle surfaces 50 ' can turn into narrower single BZ segments 51 ' . 51 '' with expansion joints ( 63 ) be divided between, see 3c '' ,

Die Doppel-Helix kann auch aus zwei Wendeln von Polygonen bestehen, wobei die Vieleck Zahl nach außen hin zunehmen kann.The Double Helix can also consist of two spirals of polygons, being the polygon number to the outside can increase.

In 4a und b ist ein Längs- und ein Querschnitt durch eine weitere integrierte Kombination RR 13'' -SOFC Hochtemperatur Brennstoffzelle 10'' in einer weiteren, in einem KFZ einsetzbaren Konfiguration gezeigt.In 4a and b is a longitudinal and a cross section through another integrated combination RR 13 '' -SOFC high-temperature fuel cell 10 '' shown in another, deployable in a car configuration.

Diese BZ 10'' ist aufgebaut aus hier 32 einzelnen, in einem Rechteck angeordneten, an einem Ende geschlossenen Röhren 40, die am offenen Ende in eine gemeinsame Sockelplatte 43 dicht eingesintert sind. Diese Röhren 40 bestehen wieder aus einem porösen Trägermantel 47 aus CrO2, siehe 4c Ausschnits Vergrößerung, auf den eine geschlossene Kathodenschicht 15 und eine Anodenschicht 14, wie in 3c' beschrieben, aufgebracht ist. In einer Aussparung 42 der Anoden 14 und der Elektrolytschicht 17 sitzt ein Nickelpropfen 48, welcher die elektrische Verbindung zu den Nachbarzellen herstellt.This BZ 10 '' is built from here 32 single, arranged in a rectangle, closed at one end tubes 40 at the open end in a common base plate 43 are densely sintered. These tubes 40 again consist of a porous carrier coat 47 from CrO 2 , see 4c Extensive magnification on which a closed cathode layer 15 and an anode layer 14 , as in 3c ' described, is applied. In a recess 42 the anodes 14 and the electrolyte layer 17 sits a nickel plug 48 , which establishes the electrical connection to the neighboring cells.

Die einzelnen BZ Röhren 40 sind hier z. B. in je 2 × 5 Paaren jeweils außen über den Breitseiten des ebenfalls rechteckigen Wärmetauscher 19 Rohres überstehend angeordnet, sowie zu 2 × 3 Paaren in dem Zwischenraum, und sind mit dem geschlossenen Ende gegen den Strom des Brenngases ausgerichtet.The individual BZ tubes 40 are here z. B. in each 2 × 5 pairs each outside the broad sides of the also rectangular heat exchanger 19 Pipe arranged projecting, as well as 2 × 3 pairs in the space, and are aligned with the closed end against the flow of the fuel gas.

Das Wärmetauscher 19 Rohr reicht nicht bis zur gesinterten Sockelplatte 43, damit das Reaktionsgas zum mittigen Wärmetauscher 19 in den RR 3 zurückströmen kann, der wieder einen Katalysator 28 für das restliche H2 und CO enthält und vor dem RR 3 seitlich zum Auspuffrohr (36) herausgeführt ist (nicht gezeichnet).The heat exchanger 19 Tube does not reach to the sintered base plate 43 for the Reacti onsgas to the central heat exchanger 19 in the RR 3 can flow back, the catalyst again 28 for the rest contains H 2 and CO and before the RR 3 laterally to the exhaust pipe ( 36 ) (not shown).

In die Mitte jedes der 32 BZ-Röhren 40 reicht je ein Luftzuführungs Rohr 44, welche dicht in einem Verteilersystem 29' eingelassen sind, durch das vorerhitzte Luft aus einem Wärmetauscher 19'', siehe 2b, anodenseits zugeführt wird.In the middle of each of the 32 BZ tubes 40 ranges ever an air supply pipe 44 which are tight in a distribution system 29 ' are admitted by the preheated air from a heat exchanger 19 '' , please refer 2 B , is supplied to the anode side.

Die Restluft N2 plus unverbrauchter Sauerstoff (O2) strömt aus den offenen Röhren 40 Enden in einen geschlossenen Auffangraum 49, der wie auch die Hülle 20' der gesamten Brennstoff zelle 10'' dicht mit der Sockelplatte 43 verbunden ist.The residual air N 2 plus unused oxygen (O 2 ) flows out of the open tubes 40 Ends in a closed collection room 49 as well as the case 20 ' the entire fuel cell 10 '' tight with the base plate 43 connected is.

Die 32 Einzel Brennstoffzellen 40 sind je zwei in Reihe und die 16 Paare dann in Serie geschaltet, so daß sie mit einer Ausgangsspannung unter Belastung von 0,8 V auf 12,8 V kommen, die etwas höher liegt als die normale KFZ Batterie Spannung.The 32 Single fuel cells 40 are two each in series and the 16 pairs then connected in series, so that they come with an output voltage under load of 0.8 V to 12.8 V, which is slightly higher than the normal car battery voltage.

Die elektrischen Verbindungen werden mit Nickel Bändern 46 zwischen den Ni Propfen 48 der Kathode 15 und der Nickel plus ZrO2 Anodenschicht 14 hergestellt.The electrical connections are made with nickel tapes 46 between the Ni plugs 48 the cathode 15 and the nickel plus ZrO 2 anode layer 14 produced.

Bei einem mittlerem Durchmesser von d = 5 cm der Röhren 40 und einer Länge der Elektrolyt Schicht 17 von ca. L = 20 cm ergibt sich eine nutzbare Fläche von 400 cm2.At a mean diameter of d = 5 cm of the tubes 40 and a length of the electrolyte layer 17 of about L = 20 cm results in a usable area of 400 cm 2 .

Damit läßt sich pro BZ Röhre 40 eine elektrische Leistung von 400 W erzeugen. Also kommen die 32 Röhren 40 auf 12,8 kW.This can be per tube B tube 40 generate an electrical power of 400W. So they come 32 roar 40 to 12.8 kW.

In 5a ist ein Abgas Turbolader 60 im Längschnitt gezeigt, der aus einem Turbinenrad 58 besteht, welches entweder durch den Abgas Strom 1 des VM Motors oder dem Abgas 11 des Reformer 3, 3', 3'', 13, 13' bzw. des Shift Reaktors 23 angetrieben wird. Ggf. kann davor noch eine geringe Menge Kraftstoff 2'g durch eine Zuleitung 25 eingespritzt werden. Das Turbinenrad 58 ist innen an einem kugelgelagerten Läufer 59 angebracht, auf dem außen die Flügelräder 54 der Frischluft Turbine eingesetzt sind, mit einem radialem Auslaß 57 und einem Achsen nahen Lufteinlaß 56. Der Hauptteil der komprimierten Luft wird zur Aufladung des VM und ein geringerer Teil zur forcierten Beschickung des Anoden Raumes der BZ mit Luftsauerstoff abgezweigt.In 5a is an exhaust turbocharger 60 shown in longitudinal section, made of a turbine wheel 58 which is either through the exhaust stream 1 the VM engine or the exhaust 11 the reformer 3 . 3 ' . 3 '' . 13 . 13 ' or the shift reactor 23 is driven. Possibly. may still have a small amount of fuel before that 2'g through a supply line 25 be injected. The turbine wheel 58 is inside a ball-bearing runner 59 attached, on the outside of the impellers 54 the fresh air turbine are used, with a radial outlet 57 and an air intake close to the axle 56 , The main part of the compressed air is diverted to charge the VM and a smaller part for forced feeding of the anode space of the BZ with atmospheric oxygen.

In 5b ist eine Zusatzheizung 61 des Abgases von z. B. Diesel Motoren im Längsschnitt gezeigt, in dem vorerhitzter Kraftstoff 2'g zugegeben wird, sowie ggf. über ein Ventil 12 der zur Verbrennung nötige zusätzliche Luftsauerstoff.In 5b is an additional heating 61 the exhaust gas of z. B. Diesel engines shown in longitudinal section, in the preheated fuel 2'g is added, and optionally via a valve 12 the additional atmospheric oxygen required for combustion.

Claims (11)

Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination, dadurch gekennzeichnet, daß 1. die im Abgas (1) enthaltene Wärmeenergie WAbg zum Aufheizen eines Reformer Reaktors RR (3, 3', 3'', 13, 13') und einer Brennstoffzelle BZ (10, 10', 10'') auf die jeweiligen Betriebstemperaturen genutzt wird, und 2. dem Abgas (1), als Puffer- und Transportgas, ein vorerhitztes Kohlenwaserstoff-haltiges Kraftstoffgas (2g) zugegeben wird, welches mit dem im Abgas enthaltenen oder zusätzlich zugegebenen Wasserdampf H2Og (22g) endotherm reagiert zu H2, CO und CO2 unter Verwertung der im Abgas angelieferten und der von der BZ (10, 10', 10'') recycleten Wärmeenergie und der restlichen chemischen Energie des Abgases (1), und 3. das Reaktionsgas H2, CO und CO2 direkt oder nur H2 über einen H2 Abscheider (6) einer Brennstoffzelle (10, 10', 10'') kathodenseits und anodenseits Luftsauerstoff zugeführt wird.Exhaust-fed reformer fuel cell combination, characterized in that 1. the exhaust gas ( 1 ) contained heat energy W Abg for heating a reformer reactor RR ( 3 . 3 ' . 3 '' . 13 . 13 ' ) and a fuel cell BZ ( 10 . 10 ' . 10 '' ) is used to the respective operating temperatures, and 2. the exhaust gas ( 1 ), as a buffer gas and transport gas, a preheated hydrocarbon containing fuel gas ( 2g ) is added, which with the contained or additionally added in the exhaust water H 2 Og ( 22g ) endothermic reacts to H 2 , CO and CO 2 using the delivered in the exhaust and the BZ ( 10 . 10 ' . 10 '' ) recycled heat energy and the residual chemical energy of the exhaust gas ( 1 ), and 3. the reaction gas H 2 , CO and CO 2 directly or only H 2 via an H 2 separator ( 6 ) a fuel cell ( 10 . 10 ' . 10 '' ) is supplied on the cathode side and on the anode side atmospheric oxygen. Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1. die Zylinder förmige Gesamt-BZ (10) aus vielen segmentierten Festoxid Einzel-BZ (51) zusammengesetzt ist, die z. B. aus einem inneren Trägermantel (47, 47') aus poröser Keramik, einer Kathodenschicht (15) aus Lanthan Manganat, einer Elektrolyt Schicht (17) aus einer Keramik Mischung von z. B. Yttrium- und Zirkonoxid und einer Anodenschicht (14) aus einer Nickel-Zirkonoxid Metallkeramik-Verbindung bestehen, alle in dieser Reihenfolge miteinander versintert, 2. diese Einzel-BZ (51) einzeln, zu Paaren oder Drippeln auf Zylinder Teilschalen angeordnet sind, welche zu zwei getrennten, bi-konzentrichen Helix Windungen dicht versintert sind, und 3. der innere, Abgas (1) beschickte Rohr förmige RR (13, 13') mit Umlenkstegen (33) ausgerüstet und über eine radiale Schlitzöffnung (32) zur kathodenseitigen inneren Helix Windung offen ist, die so gemeinsam als RR (13) ausgebildet sind, und 4. die andere anodenseitige Helix Windung von der Zylinder Stirnseite (30) mit einen Luft Zufuhr Rohr (29) dicht versintert ist, und 5. die kathodenseitige Helixwindung in einem aufgesinterten Rohr (26) zur Aufnahme des erhitzten BZ-(13)Restgases endet, welches in das innere RR-(13)Rohr zurückgeführt ist über eine Abgas Eintrittsverengung (38), die als Strahlpumpe (21) ausgebildet ist, und 6. die anodenseitige Helixwindung in einem Restluft Abfuhrrohr (31) endet, welches ebenso mit dieser und dem gasdichten Keramikmantel (20) der BZ (10) versintert ist.Exhaust-fed reformer fuel cell combination according to claim 1, characterized in that 1. the cylinder-shaped overall BZ ( 10 ) from many segmented solid oxide single BZ ( 51 ) is composed, the z. B. from an inner carrier coat ( 47 . 47 ' ) of porous ceramic, a cathode layer ( 15 ) made of lanthanum manganate, an electrolyte layer ( 17 ) From a ceramic mixture of z. B. yttrium and zirconium oxide and an anode layer ( 14 ) consist of a nickel-zirconium oxide metal-ceramic compound, all sintered together in this order, 2. these individual BZs ( 51 ) are arranged individually, in pairs or drippings on cylinder subshells, which are tightly sintered to two separate, bi-concentric helix turns, and 3. the inner, exhaust gas ( 1 ) fed tube-shaped RR ( 13 . 13 ' ) with deflecting webs ( 33 ) and via a radial slot opening ( 32 ) is open to the cathode-side inner helix turn, which together as RR ( 13 ) are formed, and 4. the other anode-side helix winding from the cylinder end face ( 30 ) with an air supply pipe ( 29 ) is densely sintered, and 5. the cathode-side Helixwindung in a sintered tube ( 26 ) for receiving the heated BZ- ( 13 ) Residual gas ending in the inner RR- ( 13 ) Pipe is recirculated via an exhaust gas inlet constriction ( 38 ), which serves as a jet pump ( 21 ), and 6. the anode-side helix winding in a residual air discharge pipe ( 31 ), which also with this and the gas-tight ceramic shell ( 20 ) of the BZ ( 10 ) is sintered. Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß 1. die mittlere Krümmung der Zylinder Teilschalen (50) und die Dicken der BZ 10 Lagen (14, 15, 17) und des Trägermantels (47, 47') so gewählt sind, daß die unterschiedlichen Temperatur Ausdehnungen der Schichten sich über deren Längen weitgehend kompensieren, und 2. die Einzel BZ (51) nochmals in Zylinder Teilschalen Bahnen (51', 51'') segmentiert sind, welche durch Umfangs Fugen (63) getrennt sind, in denen entweder die Elektrolyt (17) Schicht eingeschnürt oder diese durch eine dünne, gasdichte Keramik Isolierschicht (64) mit passendem Ausdehnungs Koeffizienten ersetzt ist, und 3. die Einzel BZ (51) Teilschalen (50) an den Stoßstellen (56) überlappend oder verzahnt und mit einer Isolierbahn (48) aus einer Keramik mit passendem Ausdehnungs Koeffizienten gasdicht versintert sind, und die Einzel BZ (50) durch eine Ni (Metallkeramik) Fahne (46') in Serie elektrisch verbunden sind.Exhaust gas fed reformer fuel cells Combination according to claim 2, characterized in that 1. the average curvature of the cylinder shells ( 50 ) and the thicknesses of the BZ 10 Layers ( 14 . 15 . 17 ) and the carrier coat ( 47 . 47 ' ) are selected so that the different temperature expansions of the layers largely compensate over their lengths, and 2. the individual BZ ( 51 ) again in cylinder part shells webs ( 51 ' . 51 '' segmented by circumferential joints ( 63 ) in which either the electrolyte ( 17 ) Layer constricted or this through a thin, gas-tight ceramic insulating layer ( 64 ) is replaced with a suitable coefficient of expansion, and 3. the individual BZ ( 51 ) Partial shells ( 50 ) at the joints ( 56 ) overlapping or toothed and with an insulating sheet ( 48 ) are gas-tight sintered from a ceramic with a suitable coefficient of expansion, and the individual BZ ( 50 ) by a Ni (metal-ceramic) flag ( 46 ' ) are electrically connected in series. Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination nach den Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß 1. die BZ (10'') mit integriertem RR (13'') besteht aus aneinander gesetzten Rechteck Flächen (50') in Form einer Doppel-Helix aus zwei Polygon-Wendeln, in deren Mitte das RR (13'') Innenrohr (27) und das Luft Zuführungs Rohr (29') eingeschlossen ist, und 2. diese länglichen BZ 10' Rechteck Flächen 50' wieder in schmalere Einzel BZ Segment 51', 51'' mit Dehnungsfugen (63) dazwischen unterteilt sind, und 3. die Vieleck Zahl nach außen hin zunehmen kann.Exhaust-fed reformer fuel cell combination according to claims 2 and 3, characterized in that 1. the BZ ( 10 '' ) with integrated RR ( 13 '' ) consists of juxtaposed rectangle surfaces ( 50 ' ) in the form of a double helix consisting of two polygons, in the middle of which the RR ( 13 '' ) Inner tube ( 27 ) and the air supply pipe ( 29 ' ) and 2. these oblong BZs 10 ' Rectangle surfaces 50 ' again in narrower single BZ segment 51 ' . 51 '' with expansion joints ( 63 ) are divided between them, and 3. the number of polygons can increase towards the outside. Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 1. das Reformergas nach dem Reformer Reaktor (3', 13) einem Shift Reaktor (23) zugeführt wird zur möglichst vollständigen Umwandlung des CO unter zusätzlicher Beigabe von verdampften und vorerhitzten H2Og zu CO2 unter weitere Produktion von H2, und 2. der sowohl in dem Reformer-(13) als auch dem Shift Reaktor (23) entstandene Wasserstoff H2 durch eine H2 permeable Abscheide Vorrichtung vom Reformer- und Shift Gas geschieden wird und dann über eine Förderpumpe (34) der Brennstoffzelle (10) zugeführt wird, oder 4. nur der SR (23) die H2 Abscheide Vorrichtung (6) enthält, und das abgeschiedene H2 Gas der SOFC Haupt-BZ (13) zusätzlich zum Brenngas, oder 5. einer Mitteltemperatur Neben-BZ (10'') kathodenseits als Brenngas zugeführt wird, und 6. die H2 Abscheide Vorrichtung (6) aus gewendelten, porösen Keramik Röhrchen (6') besteht, die auf der Innenwandung mit einer Pd-Ag Schicht bedampft sind, und die Wendel gleichmäßig im Innenraum des SR (23) bzw. des RR (13) angeordnet ist.Exhaust-fed reformer-fuel cell combination according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that 1. the reformer gas downstream of the reformer reactor ( 3 ' . 13 ) a shift reactor ( 23 ) is fed to the fullest possible conversion of CO with additional addition of vaporized and preheated H 2 Og to CO 2 with further production of H 2 , and 2. which in both the reformer ( 13 ) as well as the shift reactor ( 23 ) hydrogen H 2 is separated by an H 2 permeable separator device from the reformer and shift gas and then via a feed pump ( 34 ) of the fuel cell ( 10 ) or only the SR ( 23 ) the H 2 separation device ( 6 ) and the separated H 2 gas of the SOFC main BZ ( 13 ) in addition to the fuel gas, or 5. a mean temperature secondary BZ ( 10 '' ) is supplied as fuel gas on the cathode side, and 6. the H 2 separator device ( 6 ) of coiled, porous ceramic tubes ( 6 ' ), which are vapor-deposited on the inner wall with a Pd-Ag layer, and the helix uniformly in the interior of the SR ( 23 ) or the RR ( 13 ) is arranged. Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmetauscher (19) Rohr ein Katalysator (28) auf einem porösen Keramikträger im Innenbereich des RR (3', 13') oder in der Auspuff Ableitung 36 eingebracht ist, zur Umwandlung der Restanteile von CO, H2 und ggf. SOx und NOx im Restgas der BZ (3, 3', 3'', 13, 13') zu CO2, H2O und in unschädliche S und N Verbindungen.Exhaust-fed reformer fuel cell combination according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that in the heat exchanger ( 19 ) Tube a catalyst ( 28 ) on a porous ceramic carrier inside the RR ( 3 ' . 13 ' ) or in the exhaust derivative 36 is introduced, for converting the residual proportions of CO, H 2 and optionally SO x and NO x in the residual gas of the BZ ( 3 . 3 ' . 3 '' . 13 . 13 ' ) to CO 2 , H 2 O and harmless S and N compounds. Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß 1. im VM Abgas (1) oder im RR-(10) bzw. SR-(13) Restgas Strom (11) ein Turbinenrad (58) eines radial wirkenden Frischluft Laders (60) eingesetzt ist, dessen radiale Turbinenschaufeln (54) mit dem Turbinenrad (58) außen bzw. innen auf einem gemeinsamen Läufer (59) aufgezogen sind, und 2. ein Zusatz Heizrohr (61) durch Kraftstoff-(2'g) und Luftbeschickung zur Aufheizung des VM Abgases vor der RR + BZ Kombination eingesetzt ist.Exhaust-fed reformer fuel cell combination according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that 1. in the VM exhaust gas ( 1 ) or in the RR ( 10 ) or SR- ( 13 ) Residual gas flow ( 11 ) a turbine wheel ( 58 ) of a radially acting fresh air charger ( 60 ) whose radial turbine blades ( 54 ) with the turbine wheel ( 58 ) outside or inside on a common runner ( 59 ), and 2. an additional heating tube ( 61 ) by fuel ( 2'g ) and air charge for heating the VM exhaust gas before the RR + BZ combination is used. Vorrichtung für eine Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination bestehend aus 1. einem Verbrennungsmotor (VM) und 2. einem durch die VM Abgas (1) Wärme aufgeheitzten Reformer-Reaktor RR (3, 3', 3'', 13, 13') in dem im Abgas (1) enthaltener bzw. zusätzlich zugegebener Wasser dampf H2Og (22) mit einem in einer Zuleitung (25) zugeführten Kohlenwasserstoff haltigen Kraftstoffgas (2g) in endothermen Reaktionen zu H2, CO und CO2 reagiert, und 3. einer Brennstoffzelle BZ (10, 10', 10''), in welcher kathodenseits das Reaktionsgas oder das noch reagierende Gas direkt oder nur der Wasserstoff H2 über einen H2 Abscheider (6) zugeführt wird und anodenseits vorerhitzter Luftsauerstoff, und 4. einen Wärmertauscher 19, zur Rückführung der BZ (10, 10') Abwärme in den RR (3, 13'), und Wärmetauscher (19', 19'') über den Abgasleitungen (26, 26', 31, 31', 39) zur Verdampfung und Erhitzung des RR-Kraftstoffes 2g, des zusätzlichen H2Og (22) oder des anodenseitigen Luftstromes, und 5. einen zusätzlichen Shift Reaktor SR (23, 23') zur Umwandlung von CO zu CO2 mit zusätzlich zugegebenen H2Og (22) unter H2 Produktion.Device for an exhaust gas fed reformer fuel cell combination consisting of 1. an internal combustion engine (VM) and 2. one through the VM exhaust ( 1 ) Heat-boosted reformer reactor RR ( 3 . 3 ' . 3 '' . 13 . 13 ' ) in the exhaust gas ( 1 ) or additionally added water vapor H 2 Og ( 22 ) with one in a supply line ( 25 ) supplied hydrocarbon-containing fuel gas ( 2g ) reacts in endothermic reactions to H 2 , CO and CO 2 , and 3. a fuel cell BZ ( 10 . 10 ' . 10 '' ), in which the cathode side, the reaction gas or the still reacting gas directly or only the hydrogen H 2 via a H 2 separator ( 6 ) and anode-side preheated air oxygen, and 4. a heat exchanger 19 , for the return of the BZ ( 10 . 10 ' ) Waste heat in the RR ( 3 . 13 ' ), and heat exchangers ( 19 ' . 19 '' ) over the exhaust pipes ( 26 . 26 ' . 31 . 31 ' . 39 ) for evaporation and heating of the RR fuel 2g , of the additional H 2 Og ( 22 ) or the anode-side air stream, and 5. an additional shift reactor SR ( 23 . 23 ' ) for the conversion of CO to CO 2 with additionally added H 2 Og ( 22 ) under H 2 production. Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß 1. ein Sperrventil (35) am Ausgang des RR (3', 3'', 13) bzw. des SR (23) das Ausströmen des Brenn- und des recyclten Restgases der BZ (10, 10'') in einer Taktfrequenz und in Öffnungs/Schließ Intervallen unterbricht, welche die Ladungs produzierenden Reaktionen in der BZ (10, 10'') optimieren, und 2. das Sperrventil (35) durch eine elektro-magnetische Spule (37) betätigt wird.Exhaust-fed reformer fuel cell combination according to claim 3, characterized in that 1. a check valve ( 35 ) at the exit of the RR ( 3 ' . 3 '' . 13 ) or the SR ( 23 ) the outflow of the fuel and the recycled residual gas of the BZ ( 10 . 10 '' ) interrupts at a clock rate and in open / close intervals which the charge-producing reactions in the BZ ( 10 . 10 '' ), and 2. the check valve ( 35 ) by an electromagnetic coil ( 37 ) is pressed. Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß 1. diese mit einer Thermo Isolierung (45) um den RR (3, 3', 3'', 13, 13'), die BZ (10, 10', 10'') als auch den Shift Reaktor SR (23) versehen ist, und 2. damit einen längeren Stillstand des VM Motors mit verringerter Kraftstoff (2g) Zugabe und entsprechender Luftzufuhr in einen Stand-by Betrieb überbrücken kann., und 3. das Innere oder ein Teil des Inneren des RR (3'', 13, 13') und des SR (23) mit einem Katalysator (9, 18) auf einem porösen Keramik Träger gefüllt bzw. auf die Umlenkstege (33, 33') aufgebracht ist, welcher durch Oberflächen Kontakte die Reaktionen in die gewünschten Produkte beschleunigt.Exhaust-fed reformer fuel cell combination according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that 1. these are provided with a thermal insulation ( 45 ) around the RR ( 3 . 3 ' . 3 '' . 13 . 13 ' ), the BZ ( 10 . 10 ' . 10 '' ) as well as the shift reactor SR ( 23 ) and 2. thus a longer standstill of the VM engine with reduced fuel ( 2g ) And the corresponding air supply can be bridged into a stand-by mode., And 3. the inside or a part of the interior of the RR (FIG. 3 '' . 13 . 13 ' ) and the SR ( 23 ) with a catalyst ( 9 . 18 ) on a porous ceramic carrier or on the deflection webs ( 33 . 33 ' ), which accelerates the reactions in the desired products by surface contacts. Abgas beschickte Reformer-Brennstoffzellen Kombination nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffgas (2g) zur Beschickung der RR (3, 3', 3'', 13, 13') besteht aus Auto- oder Erdgas, oder verdampften Benzin- oder Diesel Kraftstoffen, oder verdampften Bio-Dieselölen, oder verdampften, bei Normalbedingungen festen Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Naphthalin.Exhaust-fed reformer fuel cell combination according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the fuel gas ( 2g ) to load the RR ( 3 . 3 ' . 3 '' . 13 . 13 ' ) consists of car or natural gas, or evaporated gasoline or diesel fuels, or evaporated bio-diesel oils, or evaporated, solid hydrocarbons under normal conditions, such as. B. naphthalene.
DE102008024674A 2008-05-06 2008-05-21 Exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination for stop-start cycles in motor vehicles, comprises reformer-reactor, shift reactor, turbine wheel of radially acting fresh-air loader, auxiliary heating tube, and thermal insulator Withdrawn DE102008024674A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008024674A DE102008024674A1 (en) 2008-05-06 2008-05-21 Exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination for stop-start cycles in motor vehicles, comprises reformer-reactor, shift reactor, turbine wheel of radially acting fresh-air loader, auxiliary heating tube, and thermal insulator

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008022251.8 2008-05-06
DE102008022251 2008-05-06
DE102008024674A DE102008024674A1 (en) 2008-05-06 2008-05-21 Exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination for stop-start cycles in motor vehicles, comprises reformer-reactor, shift reactor, turbine wheel of radially acting fresh-air loader, auxiliary heating tube, and thermal insulator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102008024674A1 true DE102008024674A1 (en) 2009-11-12

Family

ID=41152791

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102008024674A Withdrawn DE102008024674A1 (en) 2008-05-06 2008-05-21 Exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination for stop-start cycles in motor vehicles, comprises reformer-reactor, shift reactor, turbine wheel of radially acting fresh-air loader, auxiliary heating tube, and thermal insulator

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102008024674A1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202008010493U1 (en) 2008-08-06 2009-12-10 Weber, Erhard, Dr. Waste heat fed steam engine behind an internal combustion engine or a steam turbine
WO2013153198A1 (en) * 2012-04-13 2013-10-17 Elringklinger Ag Sulfur-tolerant high-temperature fuel cell system with internal water-gas shift catalyst
DE102012207661A1 (en) * 2012-05-08 2013-11-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Water-lubricated shaft assembly for high pressure radial flow fan, has bearing arrangements for bearing of fan shaft, where bearing elements of one of arrangements, and rings and elements of other arrangement are coated with carbon coating
GB2514813A (en) * 2013-06-05 2014-12-10 Intelligent Energy Ltd Fuel cell system and associated method of operation
CN107061053A (en) * 2017-06-01 2017-08-18 武汉理工大学 Waste gas-fuel reforming recycling natural gas engine system and control method
CN107611459A (en) * 2017-09-14 2018-01-19 上海轩玳科技有限公司 A kind of fuel cell structure and series connection method

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202008010493U1 (en) 2008-08-06 2009-12-10 Weber, Erhard, Dr. Waste heat fed steam engine behind an internal combustion engine or a steam turbine
WO2013153198A1 (en) * 2012-04-13 2013-10-17 Elringklinger Ag Sulfur-tolerant high-temperature fuel cell system with internal water-gas shift catalyst
DE102012207661A1 (en) * 2012-05-08 2013-11-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Water-lubricated shaft assembly for high pressure radial flow fan, has bearing arrangements for bearing of fan shaft, where bearing elements of one of arrangements, and rings and elements of other arrangement are coated with carbon coating
GB2514813A (en) * 2013-06-05 2014-12-10 Intelligent Energy Ltd Fuel cell system and associated method of operation
GB2514813B (en) * 2013-06-05 2020-12-23 Intelligent Energy Ltd Fuel cell system and associated method of operation
CN107061053A (en) * 2017-06-01 2017-08-18 武汉理工大学 Waste gas-fuel reforming recycling natural gas engine system and control method
CN107061053B (en) * 2017-06-01 2022-11-01 武汉理工大学 Exhaust gas-fuel reforming recycling natural gas engine system and control method
CN107611459A (en) * 2017-09-14 2018-01-19 上海轩玳科技有限公司 A kind of fuel cell structure and series connection method
CN107611459B (en) * 2017-09-14 2020-09-01 上海轩玳科技有限公司 Fuel cell structure and series connection method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69422612T2 (en) SOLID FUEL CELL STRUCTURES
US7235322B2 (en) Hybrid power system including an engine and a fuel cell module
US6936364B2 (en) Method and apparatus for vaporizing fuel for a reformer fuel cell system
DE102008024674A1 (en) Exhaust gas-fuel reformer-fuel cells combination for stop-start cycles in motor vehicles, comprises reformer-reactor, shift reactor, turbine wheel of radially acting fresh-air loader, auxiliary heating tube, and thermal insulator
EP0704109B1 (en) High-temperature fuel cell installation
EP1616361A2 (en) Energy converting device, and reformer unit and fuel cell unit therefor
DE19637207C2 (en) Power generation plant and method
EP3896767A1 (en) Broad spectrum fuel-based fuel cell system and operation method therefor
WO2013007681A2 (en) Arrangement comprising a fuel cell system
EP2705562A1 (en) Energy store and method for charging or discharging an energy store
AT513913B1 (en) Fuel cell system which is operable with hydrocarbons
DE102011018448A1 (en) Drive unit for vehicle e.g. airplane, has combustion chamber inlet that is connected to fluid outlet of fuel cell arranged in upstream of combustion chamber
WO2004079846A2 (en) Fuel cell system comprising at least one fuel cell and one gas generating system
DE102014115096B4 (en) SYSTEM FOR SUPPLYING A VEHICLE WITH ELECTRICAL ENERGY
EP1693916B1 (en) Fuel cell preheater
EP1944823B1 (en) Fuel cell system and method of operation
EP2837054B1 (en) Fuel cell device and operating method
EP1739777B1 (en) Fuel cell system for vehicles
DE112021002182T5 (en) Fuel cell power generation system
EP2885833B1 (en) Method for operating a fuel cell system
DE19636068C2 (en) Device and method for hydrogen and / or synthesis gas production
WO2006018068A2 (en) Fuel cell system
AT523125B1 (en) Fuel cell system and method for producing a fuel cell system
WO2002057105A1 (en) Drive mechanism, particularly for a vehicle, comprising an internal combustion engine and at least one electric power generator
DE102011078115A1 (en) High-temperature energy storage device and method for thermally insulating a high-temperature chamber with a high-temperature energy storage

Legal Events

Date Code Title Description
8122 Nonbinding interest in granting licences declared
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: WEBER, ERHARD, DR., DE

Free format text: FORMER OWNER: WEBER, ERHARD, DR., 49082 OSNABRUECK, DE

Effective date: 20111021

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20121201