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Beschreibung der Erfindung / Einführung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur getrennten Führung von zwei strömenden Medien bei erhöhten Temperaturen, aufgebaut aus tubulären Einheiten, insbesondere Brennstoff- zellen oder Katalytischen Brennern, welche mit einer Membran verbunden sind, die unterschiedli- che thermische Ausdehnungen der tubulären Einheiten aufnehmen kann und durch ihre Fixierung in der Umgebung auch nur geringe äusseren Kräfte über die tubulären Einheiten leitet.
Stand der Technik
Bekannte SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) Stacks sind vorwiegend in planaren Strukturen ausge- führt. Diese Stacks zeigen dabei erhebliche Probleme in der thermischen Zyklierbarkeit. SOFC's werden nach heutigem Stand der Technik zwischen -700 C und -1000 C betrieben, was speziell bei Start-Up, Shutt-down oder elektrischen Lastwechselvorgängen zu erheblichen Temperaturgra- dienten führt. Insbesondere bei keramischen Strukturen, wie sie bei SOFC's und katalytischen Brennern in Verwendung sind, führen bei bereits geringen Temperaturgradienten zum mechani- schen Versagen der einzelnen Zellen und damit zum Versagen des gesamten Stacks. Somit sind Änderungen des Betriebszustands in bekannten SOFC-Stacks, wenn überhaupt, nur extrem lang- sam zugelassen, was die Einsatzmöglichkeiten diese Technologie erheblich einschränkt.
Auch wenn es Entwicklungsziele für Betriebstemperaturen an SOFC's bis unter 500 C gibt, ist höchst fraglich ob die heutige Marktanforderungen hinsichtlich des Lastprofiles damit erfüllt werden kön- nen.
Mikrotubuläre SOFC's zeigen aufgrund ihrer Geometrie hervorragende Ergebnisse hinsichtlich thermischer Wechselbelastung. Jedoch ist die Abdichtung von tubulären SOFC's in einem Stack aufwendig und zudem oftmals nicht gasdicht wie im Patent GB2381944 1 dargestellt. Für den effizienten Betrieb des Systems (hoher Wirkungsgrad) ist eine getrennte Weiterleitung der Anoden- bzw. Kathodenabgase vorteilhaft, was eine beidseitige Befestigung und Abdichtung der tubulären Zellen erfordert. Ausführungen wie im Patent US6492050 2 und W002099917 3 erlauben daher keinen gezielten Einsatz / Umsetzung der Anoden- bzw.
Kathodenabgase in anderen Systemkom- ponenten (z.B.: Vorreformation von Treibstoffen) oder eine Druckbeaufschlagung der Brennstoff- zellen. Über diese Zuleitungen werden jedoch äussere Kräfte direkt an die Brennstoffzellen übertra- gen, was zu einer hohen mechanischen Belastung der Brennstoffzellen führt. Besonders bei einer festen Einspannung der Brennstoffzellen innerhalb eines Stacks bauen sich dabei auch sehr hohe innere thermische Spannungen auf, deren Ursache nicht nur aus Temperaturgradienten durch Laständerungen hervorgerufen wird. Auch unterschiedliche Randbedingungen aus den elektro- chemischen Prozessen jeder einzelnen Zelle (z.
B.: Fertigungstoleranzen, Dickenunterschiede im Elektrolyten, Schwankungen in Materialzusammensetzung der gesamten Brennstoffzelle, unter- schiedliche gute elektrische Kontaktierung, Strömungs- und Zusammensetzungsunterschiede der Reaktionsgase etc. ) bedingen Temperaturgradienten im System.
Da für Start-Up Vorgänge auch die Verwendung von katalytischen Brennern denkbar ist, soll- ten auch diese ähnlich wie die tubulären Brennstoffzellen in einem Stack zu integrieren sein. Es gelten dabei dieselben Problematiken und Anforderungen wie für die Brennstoffzellen.
Die elektrische Kontaktierung für die Stromgewinnung aus der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle ist standardmässig sehr aufwendig und durch "Interconnectors" entlang der Zellen gelöst, wie z. B. derzeit Eingesetzt von Siemens Westinghouse (siehe auch Patent US 6001501 4), welche ebenso zusätzliche Kräfte auf die Zellen ausüben und zudem annähernd perfekte Geomet- rien der Einzelkomponenten verlangen.
Herkömmliche SOFC-Systeme sind aufgrund mechanisch-geometrischer Randbedingungen nur mit sehr begrenztem Überdruck zu betreiben. Dies gibt Einschränkungen hinsichtlich eines Potentials der Leistungssteigerung.
Weiters ergeben sich in komplexen Systemen oft ungünstige Anströmungen der Zellen bzw.
Strömungsverhältnisse an den Elektrodenoberflächen (bei langen Reaktionszonen) die so den Wirkungsgrad der elektrochemischen Reaktionen reduzieren. Heutige Systeme können oftmals nicht beliebig erweitert werden ohne einen strömungstechnischen Einfluss auf die Reaktionszone zu nehmen.
Die für den Betrieb notwendige Luftvorwärmung erfolgt in herkömmlichen Systemen durch externe Wärmetauscher, welche die Komplexität und die Systemkosten erhöhen. Besondere
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chemische Voraufbereitungen von Reaktionsgasen sind durch vom Brennstoffzellenstack getrennte Einheiten verwirklicht und bedingen wiederum ein aufwendiges thermisches Management.
Eine serielle Zusammenschaltung von einer Vielzahl von Einzellzellen wie nach heutigem Stand der Technik üblich, bedingt eine höhere statistische Ausfallswahrscheinlichkeit des gesamten Stacks.
Problemstellung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein System zu schaffen, welches den Einbau von tubulären Brennstoffzellen und optional auch jenen von katalytischen Brennern erlaubt, und dabei den Vorteil der thermischen Zyklierbarkeit der einzelnen, für sich selbst funktionsfähigen "tubulären Einheiten" ausnutzt, äussere Krafteinwirkung auf die Brennstoffzelle auf ein Minimum reduziert, innere thermische Spannungen aufnehmen kann, und dabei die notwenige Dichtigkeit zwischen zwei strömenden Medien, insbesondere einem Reduktionsmittel (z. B. H2) und einem Oxidationsmittel (z. B. Luft oder Sauerstoff) auf einfache Weise gewährleistet.
Die Stromableitung von den Brennstoffzellen muss auf einfache Weise, ohne zusätzliche Krafteinwirkung auf dieselben erfolgen. Um die statistische Ausfallswahrscheinlichkeit des gesamten Brennstoffzellensystems oder dessen massiven Leistungseinbruch bei Ausfall von einer oder nur weniger Einzelzellen zu verringern, ist ein Aufbau gefordert welcher eine geeignete aber auch je nach Bedarf (Strom/Spannung) flexible elektrische Verschaltung erlaubt.
Die Zuführung der reagierenden Medien und die zugehörige Anordnung der tubulären Einheiten soll eine möglichst gleichmässige und effiziente Nutzung der reagierenden Medien erlauben. Eine flexible Erweiterung (Vergrösserung) des Systems soll dabei keinen wesentlichen Einfluss auf Strömungsbedingungen in den Reaktionszonen haben.
Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit eines Stacks sind weitere Marktanforderungen.
Das System soll so gestaltet sein, dass Überdrücke der reagierenden Medien (z. B. Brennstoff/Luft) zu keinen wesentlichen/ungünstigen mechanischen Belastungen in den tubulären Einheiten führen.
Eine besondere Ausführung soll es erlauben innere Oberflächen zum Wärmetransport (Vorwärmung der reagierenden Medien), bzw. Leeräume innerhalb des Systems auch zur chemischen Voraufbereitung dieser Medien nutzen zu können, womit sich das thermisches Management vereinfacht und das System thermisch gleichwertig einer Innenreformation ist.
Kennzeichnung der Erfindung
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass ein Verbund aus wenigstens zwei tubulären Einheiten (Brennstoffzellen und/oder katalytische Brenner) zu einer für sich funktionsfähigen (Sub-)Einheit, in der Folge als Mikroreaktor bezeichnet, verbaut werden. Diese Mikroreaktoren können dabei je nach Leistungsbedarf flexibel, vorzugsweise mit baugleichen Mikroreaktoren, zu einem grösseren System elektrisch als auch strömungstechnisch (Reaktionsmedien/Kühlmedien) zusammengeschaltet werden.
Als tubuläre Einheiten gelten dabei rohrähnliche, mantelseitig geschlossenen als auch offene Geometrien (z. B. gewickelte Geometrie) welche nicht unbedingt einen kreisrunden Querschnitt bilden müssen, und auch stabähnliche Querschnitte ohne Bchrung".
Innerhalb des Mikroreaktors sind die tubulären Einheiten in einer vorzugsweise parallelen Anordnung an beiden Enden fixiert und abgedichtet, wobei diese Fixierung/Abdichtung an wenigstens einem der Enden durch eine Membran dargestellt wird. Vorzugsweise werden die tubulären Einheiten gasdicht in die Membrane(n) eingelötet. Dies erlaubt einen leckagefreien Betrieb auch bei erhöhten Temperaturen ( > -400 C), wo herkömmliche Dichtungen versagen würden. Die Membrane ist ausreichend biegeelastisch ausgeführt um thermisch bedingte Ausdehnungsunterschiede zwischen den einzelnen tubulären Einheiten und zwischen tubulären Einheiten und der Membranfixierung in der Umgebung, mit nur minimaler Krafteinwirkung auf die tubulären Einheiten aufnehmen zu können. Äussere Kräfte (z.
B.: Montage/ Vibrationen der Zuleitungen im Betrieb etc.) werden über die Membranfixierung geleitet und üben somit nur geringe Belastung auf die tubulären Einheiten aus.
In einer besonderen Ausführung sind zwei Membranen in einem durchströmbaren Gehäuse, welches vorzugsweise aus Halbschalen aufgebaut ist, elektrisch voneinander isoliert, in definiertem
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Abstand fixiert. Die Brennstoffzellen sind in dieser Anordnung mehr oder weniger "frei schwebend" in einem Gehäuse, frei von äusserer Krafteinwirkung aufgehängt.
Die Membrane kann als ebenes dünnwandiges Material zur Aufnahme von axialen Verformun- gen ausgeführt sein. Die Dicke der Membran liegt dabei vorzugsweise bei weniger als 5-10% des Aussendurchmessers der tubulären Einheit. Eine alternative Ausführungsform der Membran kann durch geeignet profilierte Strukturen (z. B. radiale Wellung ähnlich zu Barometerdosen oder axiale Wellung ähnlich eines Faltenbalgschlauches), welche die axiale Verformbarkeit der Membrane erhöht, dargestellt werden.
In einer besonderen Ausführung dienen/dient die Membrane(n) als elektrisch leitender Strom- sammler". Die Stromableitung von der Brennstoffzelle erfolgt vorzugsweise über ein Lot an der Kontaktselle zwischen tubulärer Einheit und Membran. Typischerweise sind die Brennstoffzellen dadurch an den Enden jeweils parallel geschaltet, was bei einem Ausfall von nur einer oder weni- ger Zellen nicht zum totalen Versagen des Mikroreaktors führt, sondern nur einen prozentuellen Leistungseinbruch bedingt. In der darüber liegenden, zweiten Verschaltungsebene kann flexibel eine Parallel- und/oder Serienschaltung zwischen den Mikroreaktoren angewendet werden, wodurch auch höhere elektrische Spannungen im System erreicht werden. Insgesamt ergibt sich durch die Parallelschaltung in der unteren Ebene einer höhere Redundanz gegen Totalausfall des Gesamtsystems.
Alternativ ist jedoch auch für besondere Anwendungen mit höherem Spannungsbedarf und niedrigen Strömen eine Serienschaltung der Brennstoffzellen über die Membrane(n), welche als eine Art "Printplatte" (isolierender Träger mit Stromleitenden Bahnen) ausgeführt ist, anwendbar.
Ebenso ist für diesen Fall eine eigenständige Verdrahtung zwischen den Zellen, ohne Stromfluss über die Membrane (n) Die Brennstoffzellen sind innerhalb des Mikroreaktors nebeneinander, vorzugsweise parallel, so angeordnet, dass möglichst gleiche radiale Abstände zwischen den Brennstoffzellen erreicht werden um so eine möglichst Gleichverteilte elastische Verformbarkeit der Membrane um jede Kontaktstelle zu den tubulären Einheiten zu gewährleisten. Die radialen Abstände der tubulären Einheiten zueinander sind vorzugsweise mit weniger als dem zweifachen des Aussendurchmessers zu definieren.
Die zu verwendenden Brennstoffzellen verfügen vorzugsweise über eine Stromableitung, wel- che jeweils zu den Enden der Röhrchen geführt sind.
Ineiner besonderen Ausführung kann das Gehäuse, erweitert mit einem trichterartigen Gas- sammler" zur Membran und einem Aussenmantel, zur geeigneten Führung von strömenden Medien gekapselt werden. Dies kann auch derart gestaltet werden, dass die Strömung zusätzlich einen Teil der Abwärme der elektrochemischen Reaktion zur Vorwärmung der reagierenden Medien vor Eintritt in die Reaktionszone nutzt.
Um eine möglichst gleichmässige Reaktionsverhältnisse zu erzielen ist in einer besonderen Ausführung eine Art Filter" mit definierter Gasdurchlässigkeit vor die Eintrittsöffnungen zu den tubulären Einheiten (Brenngas- und/oder Luftseitig) gesetzt, um dadurch einen Rückstau und eine Gleichverteilung der Strömung über den gesamten Querschnitt zu erzielen.
Eine besondere Ausführung der Gassammler/Membran/Gehäuse-Verbindung besteht in der Möglichkeit eines gasdichten Lötverbundes, welcher jedoch gegenüber der Gegenseite durch Einsatz nichtleitender Materialien (vorzugsweise Keramik) elektrisch isoliert sein muss.
Eine alternative Ausführung der Gassammler/Membran/Gehäuse-Verbindung besteht in der Möglichkeit Gassammler und Membran, demontierbar, gegen keramische Dichtungen am Gehäuse über den Aussenmantel zu verspannen.
Der Aussenmantel ist vorzugsweise elektrisch von den stromführenden Teilen isoliert und bein- haltet die vorzugsweise axial angeordneten Anschlussstutzen/Anschlussöffnungen für die Zulei- tung der Reaktionsmedien. Dieses Gehäuse stellt einen Schutzmantel für den Reaktor, als auch eine Trennung (auch gasdicht) von Reaktions- und Kühlmedium dar.
Eine weitere besondere Anwendung stellt der Zusammenschluss von mehreren Mikroreaktoren als Verbund aus Membrane (n) undtubulären Einheiten (optional mit durchströmbaren Gehäuse) in einem gemeinsamen, demontierbaren, als Gehäuse ausgeführten Einspannung mit integrierter Führung von Reaktions- und/oder Kühlmedien dar. Die Mikroreaktoren sind dabei in dieser Ausfüh- rung als Modul leicht auszuwechseln. Die Stromverschaltung in der zweiten Ebene kann dabei
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flexibel seriell und/oder parallel erfolgen.
Der vorzugsweise kreisrunde oder sechseckige Aufbau des Reaktors wie auch jener der tubu- lären Brennstoffzelle, ergibt eine hohe mechanische Beständigkeit, gegen äussere Belastung als auch gegen Gasüberdrücke im System, relativ zu Ihrer Wandstärke.
Der konstruktiv sehr einfache und somit kostengünstige Aufbau des Mikroreaktors erlaubt eine kompakte Anordnung von tubulären Brennstoffzellen, welche im beschriebenen Aufbau ihre spezi- fischen Vorteile ausnutzen lässt. Strömungen der Reaktionsmedien lassen sich innerhalb dieses Subsystems leicht optimieren. Diese Mikroreaktoren erlauben weiters eine einfache Zusammen- schaltung (bezogen auf Strom und Reaktionsmedium) von mehreren Mikroreaktoren zu einer grösseren Einheit ohne dadurch Einfluss auf die Leistung bzw. Wirkungsgrad jedes Mikroreaktors zu nehmen. Dies ist ein für Packaging-Aspekte wichtige Eigenschaft in einem Gesamtsystem.
In der Zeichnung ist der Erfindungsstand beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt
Fig. 1 einen Brennstoffzellen / Membrane Verbund in Stim- und Längsansicht
Fig. 2 ein abgeändertes Ausführungsbeispiel einer Membrane ("Barometerdesign")
Fig. 3 einen zusammengebauten Mikroreaktor in Stirnansicht und Längsschnitt
Fig. 4 einen zusammengebauten Mikroreaktor mit Aussenmantel im Längsschnitt
Fig. 5 Zusammenschluss mehrer Mikroreaktoren in einem Integralgehäuse
Zeichnungsbeschreibung :
Ein Mikroreaktor, aufgebaut aus mehreren parallel zueinander, hexagonal angeordneten Brennstoffzellen (1), eingelötet in eine stromleitende Membrane (2).
Der Brennstoffzellen- Membrane-Verbund ist in einem Gehäuse (3) eingesetzt, welches beide Membranen am Umfang in einem definierten Abstand hält und eine Abdichtung von Membrane gegen den elektrisch leitenden Gassammler (5) erlaubt. Das Gehäuse (3), hier dargestellt als 2-teilige elektrisch isolierende Keramikhalbschalen, kann auch als Blechteil realisiert werden, weicher von der Membran elekt- risch isoliert sein muss. Die Gaszuführung zur Zelleninnenseite erfolgt im dargestellten Fall über einen, in eine elektrisch isolierende Hülse (6) eingelöteten Schneidringverschraubungsstutzen (7).
Die Innenseite des Gassammlers kann bei Bedarf auch mit einer Katalysatorstruktur zur Brenn- stoffreformation bestückt werden. Die Gasführung zur Zellenaussenseite erfolgt ebenso über einen Schneidringverschraubungsstutzen (8), welcher mit dem 2-teiligen Aussengehäuse (4) verschweisst ist. Die Gasströmung erfolgt über einen Raum zwischen Aussengehäuse (4) und Gassammler (5) und gelangt über geeignete Durchtritte im Gehäuse (3) in die zentrale Reaktionszone, welche sich mittig zwischen den beiden Membranen befindet. Über den Strömungsweg erfolgt bereits eine Gasvorwärmung bis zum Eintritt in die Reaktionszone. Die beiden Hälften des Aussengehäuses (4) sind im dargestellten Fall axial vorgespannt und verschweisst, und verpressen über eine Dichtung (9) an der Hülse (6) die beiden Gassammler (5) und die Membranen (2) mit dem Gehäuse (3).
Die Aussengehäuse (4) sind ebenso in einer zerlegbaren, geschraubten Version ausführbar. Die Stromableitung erfolgt über zwei Leiter (10) welche zwischen Gassammler (5) und Hülse (6) geklemmt sind, und über Kabeldurchführung (11) durch das Aussengehäuse (4) geführt werden.
Diese gekapselten Mikroreaktoren können strömungstechnisch über Verteilerleitungen zusam- mengeschlossen werden.
Ein Zusammenschluss mehrer Mikroreaktoren erfolgt in einer besonderen Ausführung in einem Integralgehäuse mit gemeinsamer Zuleitung von Reaktions- (12-15) und/oder Kühlmedium für alle Mikroreaktoren. Dabei werden die Mikroreaktoren zwischen zwei "Lochblechen" axial verspannt, womit sich auch eine Abdichtung zwischen den zwei Reaktionsmedien ergibt. Um eine Zwangs- strömung innerhalb der Mikroreaktorgehäuse (um die tubulären Einheiten) zu erzielen befindet sich zwischen den beiden Lochblechen eine zusätzliche Trennwand.
Die Zu- und Ableitung des Reakti- onsmediums für die innere Reaktionsfläche der tubulären Einheiten erfolgt über einen gemeinsa- men Gassammler",
Literaturverzeichnis :
1 GB2381944, Adelan Limited, Fuel cell element
2 US6492050, Acumentrics, Integrated solid oxide fuel cell and reformer
3 W002099917, Acumentrics, Horizontal fuel cell tube system and methods
4 US 6001501, Siemens Westinghouse, Connections for solid oxide fuel cells