AT521830A1

AT521830A1 - Verfahren zur Herstellung einer Gasverarbeitungsvorrichtung sowie Gasverarbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: AT521830A1
Application number: ATA50944/2018A
Authority: AT
Inventors: Bernd Reiter Bsc
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2020-05-15
Also published as: AT521830B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gasverarbeitungsvorrichtung (1), wobei die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) additiv gefertigt wird, umfassend folgende Schritte: S1: Bereitstellen eines metallischen Pulvers, S2: Herstellen einer ersten Schicht (2a) aus dem metallischen Pulver, S3: Schmelzen der ersten Schicht (2a) durch eine Energiequelle, S4: Auftragen einer weiteren Schicht (2b) aus dem metallischen Pulver auf die erste Schicht, S5: Schmelzen der weiteren Schicht (2b) durch eine Energiequelle, S6: Wiederholen der vorhergehenden Schritte S1 bis S5 bis die vorbestimmte Gasverarbeitungsvorrichtung hergestellt ist, wobei die Gasverarbeitungsvorrichtung gegebenenfalls nachbearbeitet wird, S7: Aufbringen eines katalytischen Materials auf die Gasverarbeitungsvorrichtung (1). Weiter betrifft die Erfindung eine Gasverarbeitungsvorrichtung (1), eine Verwendung einer solchen Gasverarbeitungsvorrichtung (1) und ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Gasverarbeitungsvorrichtung (1).

Description

Verfahren zur Herstellung einer Gasverarbeitungsvorrichtung sowie

Gasverarbeitungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gasverarbeitungsvorrichtung, wobei die Gasverarbeitungsvorrichtung additiv gefertigt

wird.

Weiter betrifft die Erfindung eine Gasverarbeitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Gasverarbeitungsvorrichtung.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Gasverarbeitungsvorrichtung.

Aus dem Stand der Technik sind Gasverarbeitungsvorrichtungen bekannt, welche zumindest teilweise metallisch ausgebildet sind und ein katalytisches Material

umfassen.

Gasverarbeitungsvorrichtungen werden beispielsweise in Brennstoffzellensystemen verwendet, um Betriebsfluide des Brennstoffzellensystems zur Nutzung in der Brennstoffzelle selbst bereitzustellen. Beispielsweise kann in einer Gasverarbeitungsvorrichtung ein Betriebsfluid verdampft, katalytisch verbrannt und/oder reformiert werden. Ein Brennstoffzellensystem kann eine oder mehrere

Gasverarbeitungsvorrichtungen umfassen.

Insbesondere bei einer Anwendung eines solchen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug ist es ein Ziel, diese möglichst kompakt auszubilden. Gleichzeitig ist jedoch notwendig, katalytische Flächen der Gasverarbeitungsvorrichtungen groß genug auszubilden, sodass die notwendigen katalytischen Reaktionen vollständig ablaufen. Beispielsweise kann es notwendig sein, Brennstoff unter Zuführung von Luft vollständig in einem Brenner zu verbrennen. Um die oben angeführten Anforderungen zu erfüllen, ist es aus dem Stand der Technik, bekannt, ein metallisches Gitter spiralförmig um einen Zylinder zu wickeln. Dieses Gitter umfasst entweder selbst katalytisches Material, wird katalytisch beschichtet oder es werden katalytische Elemente eingelegt. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist nicht nur

komplex und zeitaufwendig, sondern auch wenig effektiv: Zum einen kann eine

gewünschte Struktur durch das Wickeln nicht vorgegeben werden und zum anderen

ist auch das Aufbringen der katalytischen Beschichtung problematisch.

Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Gasverarbeitungsvorrichtung anzugeben, mit welchem diese

besonders effizient hergestellt werden kann.

Ein weiteres Ziel ist es, eine Gasverarbeitungsvorrichtung anzugeben, welche

effizient herstellbar ist.

Darüber hinaus ist es ein Ziel, eine Verwendung einer Gasverarbeitungsvorrichtung

anzugeben.

Weiter ist es ein Ziel, ein Brennstoffzellensystem mit einer

Gasverarbeitungsvorrichtung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verfahren der eingangs

genannten Art folgende Schritte aufweist:

— Bereitstellen eines metallischen Pulvers,

— Herstellen einer ersten Schicht aus dem metallischen Pulver,

— Schmelzen der ersten Schicht durch eine Energiequelle,

— Auftragen einer weiteren Schicht aus dem metallischen Pulver auf die erste Schicht,

— Schmelzen der weiteren Schicht durch eine Energiequelle,

— Wiederholen der vorhergehenden Schritte bis die vorbestimmte Gasverarbeitungsvorrichtung hergestellt ist, wobei die Gasverarbeitungsvorrichtung gegebenenfalls nachbearbeitet wird,

— Aufbringen eines katalytischen Materials auf die Gasverarbeitungsvorrichtung, wobei insbesondere vorab eine Zwischenschicht aufgebracht wird.

Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass dadurch eine Gasverarbeitungsvorrichtung mit einer beliebigen Form herstellbar ist. Darüber hinaus wird durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere eine einteilige Gasverarbeitungsvorrichtung hergestellt, welche in weitere Folge auch langlebig und robust ist. Mit besonderem Vorteil wird die Gasverarbeitungsvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem verwendet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine im Vergleich zum Stand der Technik kleinere, d. h. beispielsweise in einem

Brennstoffzellensystem weniger Platz beanspruchende Gasverarbeitungsvorrichtung hergestellt werden. Darüber hinaus ist es durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte möglich, eine Gasverarbeitungsvorrichtung mit einer beliebigen Struktur herzustellen. Dadurch kann eine Struktur und/oder Form der Gasverarbeitungsvorrichtung auf gewünschte und/oder vorbestimmte Anforderungen angepasst werden. Insbesondere kann diese derart geformt werden, dass ein Fluid (flüssig und/oder gasförmig), welches dann durch die Gasverarbeitungsvorrichtung

strömt.

Es kann günstig oder notwendig sein, dass die Gasverarbeitungsvorrichtung nach der additiven Fertigung derselben, d. h. nach den Schritten 1 bis 6 noch nachbearbeitet wird. Hierzu kann die Gasverarbeitungsvorrichtung beispielsweise noch (ab)geschliffen werden oder es werden Aussparungen in derselben beispielsweise durch Bohren hergestellt. Darüber hinaus kann diese auch kraftund/oder stoffschlüssig mit anderen Elementen verbunden werden oder es können

Teile davon abgetrennt werden.

Im Rahmen der Erfindung ist unter einer Gasverarbeitungsvorrichtung eine Vorrichtung zu verstehen in welcher flüssige und/oder gasförmige Fluide chemisch verändert werden. Folglich kann eine Gasverarbeitungsvorrichtung beispielsweise ein katalytischer Brenner, ein zumindest teilweise katalytisch beschichteter Verdampfer und/oder Überhitzer oder eine zumindest teilweise katalytisch beschichtete Leitung sein. Im Rahmen der Erfindung kann eine Gasverarbeitungsvorrichtung ein einzelnes Element oder mehrere kombinierte Elemente sein. Beispielsweise kann eine Gasverarbeitungsvorrichtung einen katalytisch beschichteten Brenner (mit einer oder zwei Brennkammern) und einen Verdampfer umfassen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden alle Teile einer solchen Gasverarbeitungsvorrichtung gemeinsam hergestellt.

Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Gasverarbeitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein SOFC-System (SOFC steht für „solid oxide fuel cell“, bzw. Festoxidbrennstoffzelle), zur Verfügung gestellt. Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann beispielsweise

mit flüssigem Brennstoff betrieben werden.

Das katalytische Material kann entweder auf die gesamte Gasverarbeitungsvorrichtung aufgebracht oder diese kann nur teilweise mit dem

katalytischen Material beschichtet werden. Besonders bevorzugt wird die Gasverarbeitungsvorrichtung physikalisch oder chemisch mit dem katalytischen

Material beschichtet.

Zweckmäßig ist es, wenn vor dem Aufbringen der katalytischen Schicht eine Zwischenschicht auf die Gasverarbeitungsvorrichtung aufgebracht wird. Diese Zwischenschicht ist insbesondere ein sogenannter Washcoat, durch welche eine Oberflächenstruktur mit einer hohen spezifischen Oberfläche auf der Gasverarbeitungsvorrichtung erzeugt wird. Der Washcoat besteht beispielsweise aus einer Mischung aus Metalloxiden und dient als Trägerschicht für die katalytische Schicht. Durch die Zwischenschicht wird also eine katalytisch zu beschichtende Oberfläche vergrößert.

Es ist günstig, wenn das Schmelzen der ersten und der weiteren Schichten durch einen Laser durchgeführt wird. Insbesondere wird die Gasverarbeitungsvorrichtung also durch selektives Laserschmelzen hergestellt, wobei der Laser die Energiequelle ist. Es wird das metallische Pulver in einer dünnen Schicht auf ein insbesondere plattenförmiges Grundelement aufgebracht und durch Laserstrahlung lokal insbesondere derart vollständig geschmolzen, dass nach einer Erstarung eine feste Materialschicht hergestellt, Dieser Schritt bzw. diese Schritte werden solange wiederholt, bis alle vorgegeben Schichten umgeschmolzen sind. Eine derartig hergestellte Schicht weist üblicherweise eine Schichtdicke zwischen 15 um und

500 um auf, Eine durch selektives Laserschmelzen hergestellte Gasverarbeitungsvorrichtung weist eine große spezifische Dicht im Bereich von 99 %

oder mehr auf.

Alternativ dazu kann es auch zweckmäßig sein, wenn das Schmelzen der ersten und der weiteren Schichten durch einen Elektronenstrahl durchgeführt wird. Auch durch dieses sogenannte Elektronenstrahischmelzen wird das metallische Pulver also gezielt aufgeschmolzen, wodurch wie durch das Laserschmelzen eine kompakte Gasverarbeitungsvorrichtung mit nahezu 100 %iger Gefügedichte hergestellt werden kann. Das Schmelzen durch einen Elektronenstrahl wird insbesondere unter Vakuum durchgeführt. In diesem Fall ist der Elektronenstrahl die Energiequelle,

Bei beiden oben erwähnten Varianten kann eine Gasverarbeitungsvorrichtung mit einer beliebigen Geometrie hergestellt werden. Das metallische Pulver wird punktuell und schichtweise geschmolzen, wobei die geschmolzenen Schichten jeweils durch

Erkalten erstarren, wodurch die gewünschte Gasverarbeitungsvorrichtung hergestellt wird. Es kann auch bei beiden Varianten günstig sein, wenn die Gasverarbeitungsvorrichtung nach dem Aufbringen des katalytischen Materials beispielsweise in einem Ofen getrocknet wird.

Zweckmäßigerweise wird die Gasverarbeitungsvorrichtung zum Aufbringen des katalytischen Materials in eine katalytische Lösung eingetaucht. Die Gasverarbeitungsvorrichtung kann hierfür entweder vollständig oder zur Gänze in die katalytische Lösung eingetaucht werden, wobei die katalytische Lösung insbesondere als flüssige Lösung bereit gestellt ist. Zweckmäßig ist es in jedem Fall, wenn jener Teil der Gasverarbeitungsvorrichtung in die katalytische Lösung eingetaucht wird, in welchem dann katalytische Reaktionen stattfinden sollen. Umfasst die Gasverarbeitungsvorrichtung mehr als ein Element, wie beispielsweise einen Brenner und einen Verdampfer und/oder einen Reformer, dann ist es günstig, wenn nur dieses Element katalytisch beschichtet wird, in welchen dann eine katalytische Reaktion stattfindet, beispielsweise der Brenner. Vor dem katalytischen Beschichten ist die Gasverarbeitungsvorrichtung derart ausgebildet, dass die katalytische Lösung ohne Weiteres auf der metallischen Oberfläche der Gasverarbeitungsvorrichtung haftet. Beispielsweise kann die Oberfläche hierfür rau und/oder uneben ausgebildet sein.

Alternativ dazu kann es auch günstig sein, wenn die Gasverarbeitungsvorrichtung zum Aufbringen des katalytischen Materials mit katalytischem Material besprüht wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Gasverarbeitungsvorrichtung nur teilweise katalytisch beschichtet werden soll, wie z. B. eine Seite eines Wärmetauschers. Die oben beschriebenen Vorteile und Wirkungen gelten mutatis mutandis auch beim Besprühen der Gasverarbeitungsvorrichtung mit einem

katalytischen Material.

Als Alternative kann die Gasverarbeitungsvorrichtung auch chemisch oder

elektrochemisch katalytisch beschichtet werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die Schichten mit einer Wandstärke im Bereich von etwa 10 um bis etwa 100 um hergestellt werden. Dadurch ist eine vorbestimmte oder gewünschte Geometrie der Gasverarbeitungsvorrichtung besonders präzise herstellbar. Es wird eine Gasverarbeitungsvorrichtung mit einer großen Oberfläche hergestellt, wodurch in weiterer Folge genügend Fläche zum katalytischen

Beschichten bereit gestellt ist. Dadurch wird die Gasverarbeitungsvorrichtung klein und/oder platzsparend und/oder kompakt ausgebildet, wobei gleichzeitig genügend katalytisch beschichtete Oberfläche bereitgestellt wird, um die chemischen

Umwandlungsprozesse durchführen zu können.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Schichten mit Aussparungen hergestellt werden, wobei die Schichten derart zueinander angeordnet werden, dass die Aussparungen jeweils versetzt zueinander angeordnet sind. Dies ist zweckmäßig, damit ein Fluid (gasförmig und/oder flüssig) durch die Gasverarbeitungsvorrichtung strömen kann. Die Gasverarbeitungsvorrichtung wird dadurch mit einer besonders großen Oberfläche hergestellt, wobei gleichzeitig Strömungswiderstände weitgehend vermieden sind. Die Aussparungen der einzelnen Schichten werden so zueinander angeordnet, dass ein diese später durchströmendes Fluid eine vorbestimmte laminare oder turbulente oder eine Mischung daraus Strömung durchführt. Die Gasverarbeitungsvorrichtung selbst weist möglichst wenig Strömungswiderstand auf. Hierfür kann es günstig sein, wenn diese gitterförmig hergestellt wird, d. h. eine Gesamtfläche der Aussparungen ist größer als eine Gesamtfläche des Materials.

Günstig ist es, wenn eine hohlzylindrische Gitterstruktur hergestellt wird. Eine dadurch hergestellte Gasverarbeitungsvorrichtung kann beispielsweise als Brenner in einem Brennstoffzellensystem verwendet werden. Beim Verfahren zur Herstellung der hohlzylindrischen Gitterstruktur wird diese in Richtung einer Zylinderlängsachse gedruckt. Das heißt, die erste und die weiteren Schichten, entsprechen hierbei jeweils einer Scheibe des Hohlzylinders. Der dadurch hergestellte Hohlzylinder kann eine kreisrunde Grundfläche aufweisen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eine Mantelfläche beliebig ausgebildet ist, wodurch Ansprüche an eine Kompaktheit der Gasverarbeitungsvorrichtung noch besser erfüllt werden. Grundsätzlich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch jede beliebige Form hergestellt werden.

Besonders bevorzugt wird die Gasverarbeitungsvorrichtung einteilig hergestellt. Dies ist insbesondere günstig, weil dadurch auch Leitungen, welche in der Gasverarbeitungsvorrichtung vorhanden sind oder Fluide in diese oder aus dieser heraus führen additiv gedruckt werden können. Dadurch wird die Gasverarbeitungsvorrichtung weniger wartungsintensiv und langlebiger. Weitere

stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindungen sind nicht notwendig.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Gasverarbeitungsvorrichtung mit einer weiteren Gasverarbeitungsvorrichtung stoffschlüssig verbunden wird. Insbesondere wird die Gasverarbeitungsvorrichtung mit anderen Elementen eines Brennstoffzellensystems verschweißt. Beispielsweise kann die Gasverarbeitungsvorrichtung als katalytischer Brenner ausgebildet sein und mit

einem Verdampfer und/oder Überhitzer stoffschlüssig verbunden werden.

Das weitere Ziel wird dadurch gelöst, dass eine Gasverarbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art durch ein additives Verfahren, insbesondere durch ein

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist.

Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass eine Geometrie einer dadurch hergestellten Gasverarbeitungsvorrichtung beliebig vorgegeben werden kann. Gleichzeitig kann eine Dichte einer solchen Gasverarbeitungsvorrichtung jener des Ausgangsmaterials entsprechen. Damit bringt eine erfindungsgemäße Gasverarbeitungsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.

Die erfindungsgemäße Gasverarbeitungsvorrichtung ist vorteilhaft ein Element eines Brennstoffzellensystems, welches zusätzlich noch weitere Element wie einen Reformer, Wärmetauscher, einen Verdampfer, zumindest einen Brennstoffzellenstapel sowie Leitungen aufweisen kann. Die Gasverarbeitungsvorrichtung kann auch mehrere Elemente eines Brennstoffzellensystems umfassen, wobei diese bevorzugt als integrales Element ausgebildet und/oder gefertigt sind; beispielsweise einen Brenner, einen

Wärmetauscher und/oder einen Reformer und/oder diverse Leitungen.

Besonders bevorzugt ist die Gasverarbeitungsvorrichtung einteilig ausgebildet, wodurch diese stabil, kompakt und langlebig ist. Es sind keine oder zumindest nur wenige, in jedem Fall weniger als bei aus dem Stand der Technik bekannten Gasverarbeitungsvorrichtungen, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbindungen notwendig, wodurch übliche Bruchstellen vermieden sind.

Günstig ist es, wenn die Gasverarbeitungsvorrichtung zumindest einen Brenner umfasst. Der Brenner kann dabei insbesondere zwei Reaktionskammern umfassen, wobei beide Reaktionskammern katalytisch beschichtet sind. Der Brenner kann dabei entweder als Startbrenner oder Nachbrenner ausgebildet und verwendet werden. Es

kann auch vorgesehen sein, dass dieser sowohl als Startbrenner als auch als Nachbrenner ausgebildet ist. Darüber hinaus kann ein derartiger Brenner auf einer Abgasseite des Brennstoffzellensystems integral mit dem Kathodenwärmetauscher ausgebildet oder in diesen integriert sein. Gleichzeitig oder alternativ kann der Brenner integral mit einem Anodenwärmetauscher ausgebildet oder in diesen

integriert sein.

Der Brenner ist besonders bevorzugt als zweistufiger Brenner ausgebildet, wobei die erste Reaktionskammer eine erste Stufe und die zweite Reaktionskammer eine zweite Stufe bildet. Das erste Betriebsfluid und/oder zweite Betriebsfluid kann im erfindungsgemäßen Brenner einerseits verdampft sowie zumindest teilweise reformiert und andererseits auch vollständig verbrannt sowie auf eine notwendige oder vordefinierte Temperatur erhitzt werden. Ein Prozessgas, welches aus dem Brenner ausströmt, weist durch die zweistufige Ausführung desselben eine genügend hohe Temperatur auf, um über einen oder mehrere Wärmetauscherelemente Brennstoff sowie Luft bzw. Betriebsfluide für einen Brennstoffzellenstapel auf eine Betriebstemperatur zu erhitzen. Ferner ist im Brenner Brennstoffzellenabgas, welches aus einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt aus dem Brennstoffzellenstapel austritt, vollständig nachverbrennbar, wobei ein separater Nachbrenner somit entbehrlich ist, da der Brenner in einem einzigen Brennstoffzellensystem als Startbrenner und Nachbrenner nutzbar ist. Der Brenner ist durch die katalytische Beschichtung dazu ausgebildet, flüssigen Brennstoff zu verdampfen, zu reformieren und dann gasförmig katalytisch zu verbrennen, wofür beide Reaktionskammern jeweils ein katalytisches Material umfassen. Das Konzept des Brenners ermöglicht durch die Vorverdampfung und teilweise Vorreformierung des Brennstoffs insbesondere eine Verwendung eines Ethanol-Wasser-Gemisches als Brennstoff, welches bekanntlich aufgrund seines hohen Wasseranteiles schwierig zu verdampfen und in weiterer Folge zu verbrennen ist. Dadurch ist es möglich, den stark wasserhaltigen Brennstoff, welcher für Dampfreformierung ohne nötige Rezirkulation auf der Anodenseite angedacht ist, auch für den Startvorgang zu verwenden. Ist der erfindungsgemäße Brenner in einem Brennstoffzellensystem angeordnet, kann dieses jedoch ohne Weiteres mit einem flüssigen Brennstoff-Wasser-Gemisch wie mit einem Ethanol-WasserGemisch betrieben werden.

Zweckmäßig kann es auch sein wenn die Gasverarbeitungsvorrichtung zusätzlich oder alternativ zumindest einen Verdampfer umfasst. Der Verdampfer kann dabei eine katalytische Beschichtung aufweisen oder falls dieser als zusätzliches Element vorgesehen ist, nicht katalytisch beschichtet sein. Ist dieser katalytisch beschichtet, kann im Verdampfer beispielsweise Brennstoff vorreformiert werden, bevor dieser

katalytisch verbrannt wird.

Vorteilhaft kann es weiter sein, wenn die Gasverarbeitungsvorrichtung zumindest einen Wärmetauscher umfasst, wobei der Wärmetauscher zumindest eine Fluidzuführleitung umfasst. Der Wärmetauscher kann dabei eine gedruckte katalytische Struktur aufweisen, sodass durch diesen zumindest auf einer Seite eine katalytische Reaktion eines Brennstoffes oder Brennstoff-Luft-Gemisches durchführbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Fluidzuführleitung des

Wärmetauschers eine katalytisch beschichtete Gitterstruktur aufweisen.

Günstig ist es in jedem Fall, wenn die Gasverarbeitungsvorrichtung eine oder mehrere Fluidzuführleitungen sowie eine oder mehrere Fluidabführleitungen umfasst, welche gleichzeitig mit den übrigen Elementen additiv gefertigt werden. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn auch die Fluidzuführ-und/oder Fluidabführleitungen zumindest teilweise eine katalytisch beschichtete Gitterstruktur aufweisen.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Gasverarbeitungsvorrichtung einen Reformer

aufweist, welcher insbesondere gleichzeitig als Wärmetauscher ausgebildet ist.

Besonders bevorzugt werden alle Elemente eines Brennstoffzellensystems, in welchen fluidaustauschende oder fluidverändernde Prozesse wie Wärmetausch, Verdampfen, Überhitzen, Verbrennen und/oder Reformieren durchgeführt werden, als ein gemeinsames Bauteil additiv gefertigt werden.

Eine Verwendung einer erfindungsgemäßen einer Gasverarbeitungsvorrichtung erfolgt mit Vorteil in einem SOFC-System. Insbesondere wird die erfindungsgemäße Gasverarbeitungsvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem verwendet, welches

mit flüssigem Brennstoff betrieben wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einer wie vorstehend im Detail dargestellten

Gasverarbeitungsvorrichtung zur Verfügung gestellt.

Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann ferner einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt sowie einen Verdampfer und einen Reformer aufweisen, wobei die Gasverarbeitungsvorrichtung insbesondere zumindest einen Brenner aufweist, welcher zum Erwärmen des Reformers, des Verdampfers und eines Wärmetauschers, welcher für das Erhitzen von dem Kathodenabschnitt zuzuleitender Luft zuständig ist, angeordnet und ausgestaltet sind. Das Brennstoffzellensystem ist bevorzugt ein SOFC-System. Der Reformer ist bevorzugt zum Reformieren eines Brennstoffgemisches, beispielsweise Ethanol und Wasser, in ein anderes Brennstoffgemisch, in diesem Fall Wasserstoff und Kohlendioxid, ausgestaltet. Der reformierte Wasserstoff kann in einem Brennstoffzellenstapel zur Stromerzeugung verwendet werden. Der Brenner ist zum Erwärmen des Reformers mittels Brennstoffzellenabgas vom Brennstoffzellenstapel ausgestaltet. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei Prozessgas, welches aus dem Brenner austritt über eine warme Seite des Wärmetauschers strömt und Luft, welche über eine kalte Seite des Wärmetauschers zu einem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels strömt, erwärmt. Ferner kann es günstig sein, wenn stromabwärts des Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts des Reformers bzw. des weiteren Wärmetauschers ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet ist. Dieser ist für eine Anpassung von Einlasstemperaturen der Betriebsfluide (Brennstoff-Wasser-Gemisch und Luft) ausgebildet. Ziel ist es, Temperaturunterschiede zwischen den beiden Betriebsfluiden so gering wie möglich zu halten, sodass im Brennstoffzellenstapel Wärmespannungen größtenteils vermieden werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird

insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug

genommen wird, zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Gasverarbeitungsvorrichtung;

Fig. 2 eine weitere Gasverarbeitungsvorrichtung;

Fig. 3 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Gasverarbeitungsvorrichtung;

Fig. 4 eine weitere Gasverarbeitungsvorrichtung;

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer

Gasverarbeitungsvorrichtung gemäß Fig. 1 oder 2; Fig. 6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt einem Schnitt durch erfindungsgemäße Gasverarbeitungsvorrichtung 1, welche einen Brenner 20 mit einer ersten Reaktionskammer 20a und einer zweiten Reaktionskammer 20b umfasst. Beide Reaktionskammern 20a und 20b sind jeweils hohlzylindrisch ausgebildet und vollständig additiv gefertigt, wobei diese jeweils eine

Gitterstruktur aufweisen.

Jede Reaktionskammer 20a, 20b weist jeweils einen Kammereingang und einen Kammerausgang auf. Der Brenner 20 weist weiter einen ersten Betriebsfluidleitabschnitt und einen zweiten Betriebsleitabschnitt auf, wobei der erste Betriebsfluidleitabschnitt zum Führen eines ersten Betriebsfluides und der zweite Betriebsfluidleitabschnitt zum Führen eines zweiten Betriebsfluides ausgebildet ist. Im Rahmen der Erfindung wird als erstes Betriebsfluid bevorzugt ein EthanolWasser-Gemisch und als zweites Betriebsfluid Luft verwendet. Der erste Betriebsfluidleitabschnitt umfasst dabei einen ersten Teilabschnitt 2a und einen zweiten Teilabschnitt. Es kann vorgesehen sein, dass eine radial äußerste Schicht der hohlzylindrischen ersten Reaktionskammer 20a ist als Verdampfungskammer oder Verdampfer ausgebildet ist. In der Verdampfungskammer wird das erste

Betriebsfluid verdampft und vorreformiert.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Gasverarbeitungsvorrichtung 1, welche einen Brenner 20 mit einer ersten Reaktionskammer 20a und einer zweiten Reaktionskammer 20b umfasst, gezeigt. Diese Gasverarbeitungsvorrichtung entspricht im Wesentlichen jener aus Fig. 1. Zwischen den beiden Reaktionskammern 20a, 20b ist ein Verdampfer 30 vorgesehen und die zweite Reaktionskammer 20b weist eine andre Längsschnittfläche auf als die Gasverarbeitungsvorrichtung 1 gemäß Fig. 1. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Gasverarbeitungsvorrichtung 1 mit einer beliebigen Längsschnittfläche hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Gasverarbeitungsvorrichtung 1. Es sind die gedruckten Schichten 2a, 2b der Gasverarbeitungsvorrichtung 1 ersichtlich, welche mit Aussparungen 3 als Gitterstruktur ausgebildet sind. Wie

gezeigt, ist diese eine hohlzylindrische Struktur, durch welche beispielweise ein Brenner 20 bzw. eine Reaktionskammer 20a, 20b gemäß Fig. 1 oder 2 gebildet werden kann. Die Schichten 2a, 2b werden schichtweise entlang einer Längsachse der hohlzylindrischen Gasverarbeitungsvorrichtung 1 gedruckt.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Gasverarbeitungsvorrichtung 1 gezeigt. Diese Gasverarbeitungsvorrichtung 1 umfasst eine Wärmetauscher 40 mit einer Fluidzuführleitung 50 und einer Fluidabführleitung 60. Günstigerweise ist die gesamte Gasverarbeitungsvorrichtung 1 durch 3-D-Druck hergestellt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass nur die Fluidzuführleitung 50 additiv gefertigt ist und mit den restlichen Elementen der Gasverarbeitungsvorrichtung 1 stoffschlüssig verbunden ist. Die Fluidzuführleitung 50 weist eine gitterförmige Struktur mit mehreren Schichten 2a, 2b auf und ist katalytisch beschichtet. Es kann auch vorgesehen sein, dass die gesamte Gasverarbeitungsvorrichtung 1 additiv gefertigt wird und nur ein Teil davon katalytisch beschichtet wird. Dabei ist es günstig, wenn nur der zu beschichtende Teil eine gitterförmige Struktur aufweist bzw. mit einer gitterförmigen Struktur hergestellt wird. Dass die gesamte Gasverarbeitungsvorrichtung 1 gedruckt wird, jedoch nur ein Teil eine gitterförmige zu beschichtende Struktur (welche dann auch katalytisch beschichtet wird) aufweist, trifft auf alle Ausführungsformen der

Gasverarbeitungsvorrichtung 1 zu.

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer Gasverarbeitungsvorrichtung 1, welche als Brenner 20 gemäß Fig. 1 oder 2 ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst weiter einen Verdampfer 140, einen Reformer 150, zwei Wärmetauscher 160, 170 und einen Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Anodenabschnitt 120 und einem Kathodenabschnitt 130. Das Brennstoffzellensystem 100 wird mit einem flüssigen Brennstoff-Wasser-Gemisch betrieben, welcher über eine Anodenzuführleitung über den Verdampfer 140 (dort wird das Brennstoff-Wasser-Gemisch gasförmig), den Reformer 150 (dort wird das gasförmige Brennstoff-Wasser-Gemisch reformiert) und dem weiteren Wärmetauscher 170 dem Anodenabschnitt zugeführt. Über eine Kathodenzuführleitung wird Luft über einen Wärmetauscher 160 und dem weiteren Wärmetauscher 170 dem Kathodenabschnitt 130 zugeführt. Diese Schritte werden durchgeführt, wenn das Brennstoffzellensystem 100 in Betrieb ist, also nach einem Aufheizbetrieb. Der Brenner umfasst eine elektrische Heizeinrichtung.

Zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems 100 wird der Brenner 20 als Startbrenner verwendet: Die elektrischen Heizeinrichtung wird in Betrieb genommen und das ersten Betriebsfluid (ein Brennstoff-Wasser-Gemisch) wird in einen ersten Betriebsfluidleitabschnitt eingebracht. Dort wird dieses mit der Heizeinrichtung erhitzt, verdampft und teilweise reformiert. Kurz darauf wird Luft durch einen zweiten Betriebsfluidleitabschnitt und das Brennstoff-Wasser-Gemisch zum Kammereingang der ersten Reaktionskammer 20a eingebracht bzw. geleitet und dort vermischt. Das Gemisch wird durch die katalytisch beschichteten Schichten 2a, 2b geleitet und dort katalytisch verbrannt. Da durch die Verbrennung Wärme abgegeben wird, kann die elektrische Heizeinrichtung nun ausgeschalten werden. Am Kammerausgang der ersten Reaktionskammer 20a wird ein zweiter Teil des Brennstoff-WasserGemisches zugeführt und dieses mit dem bereits gasförmigen Brennstoff-WasserLuft-Gemisch in die zweite Reaktionskammer 20b geleitet. Dort findet wiederum eine katalytische Verbrennung statt. Ein aus der zweiten Reaktionskammer 20b austretendes Prozessgas hat nun eine Temperatur von etwa 950 °C. Dieses Prozessgas heizt wie in Fig. 5 gezeigt in Strömungsrichtung den Reformer 150, den Wärmetauscher 160 und den Verdampfer 140 auf. Die einströmende Luft zum Wärmetauscher 160 heizt wiederum den Brennstoffzellenstapel 110 auf. Sobald alle Elemente eine vordefinierte Betriebstemperatur aufweisen, wird die Funktion des Brenners 20 als Startbrenner nicht mehr benötigt, das heißt es wird bevorzugt kein erstes Betriebsfluid über den ersten Betriebsfluidleitabschnitt zugeführt.

Beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird der Brenner 20 als Nachbrenner verwendet. Das Anodenabgas wird stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 110 mit dem Kathodenabgas vermischt. Dieses Stackabgas wird über den zweiten Betriebsfluidleitabschnitt dem Brenner 20 zugeführt und dort insbesondere

zweistufig verbrannt.

In Fig. 6 sind die Schritte S1 bis S7 des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Gasverarbeitungsvorrichtung 1 gezeigt. Die Gasverarbeitungsvorrichtung 1 wird additiv gefertigt wird. Dabei wird in einem ersten Schritt S1 ein metallischen Pulver bereitgestellt, wonach in einem zweiten Schritt S2 Herstellen einer ersten Schicht 2a aus dem metallischen Pulver, wobei die erste Schicht 2a insbesondere auf einen Untergrund wie eine Platte aufgebracht wird. Anschließend wird in einem dritten Schritt S3 die ersten Schicht 2a durch eine Energiequelle wie einen Laser oder Elektronenstrahl geschmolzen. Daran

anschließend wird in einem vierten Schritt S4 eine weitere Schicht 2b aus dem metallischen Pulver auf die erste Schicht aufgebracht, wonach auch die weitere Schicht in einem fünften Schritt S5 durch die Energiequelle aufgeschmolzen wird. Die Schritte S1 bis S5 werden in einem sechsten Schritt S6 solange wiederholt bis die vorbestimmte Gasverarbeitungsvorrichtung 1 hergestellt ist bzw. bis alle vorbestimmten Schritte durchgeführt sind. Falls es notwendig ist, wird die Gasverarbeitungsvorrichtung noch nachbearbeiten. Beispielsweise werden Unebenheiten abgeschliffen. Als vorläufig abschließender Schritt S7 wird auf die Gasverarbeitungsvorrichtung 1 zumindest teilweise ein katalytisches Material beispielsweise durch Eintauchen oder Besprühen aufgebracht. Die Gasverarbeitungsvorrichtung 1 wird chemisch oder physikalisch katalytisch beschichtet. Günstig ist es wenn vor dem katalytischen Beschichten ein sogenannter Washcoat zum Vergrößern einer Oberfläche der Gasverarbeitungsvorrichtung 1 aufgebracht wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Gasverarbeitungsvorrichtung 1 mit zumindest einer weiteren Gasverarbeitungsvorrichtung 1 verschweißt wird. Die dadurch hergestellte Gasverarbeitungsvorrichtung 1 weist eine gitterförmige, katalytisch beschichtete Struktur auf, welche eine große Oberfläche aufweist.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Gasverarbeitungsvorrichtung (1), wobei die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) additiv gefertigt wird, umfassend folgende Schritte:

— $1: Bereitstellen eines metallischen Pulvers,

— 82: Herstellen einer ersten Schicht (2a) aus dem metallischen Pulver,

— 83: Schmelzen der ersten Schicht (2a) durch eine Energiequelle,

— S4: Auftragen einer weiteren Schicht (2b) aus dem metallischen Pulver auf die erste Schicht,

— S5: Schmelzen der weiteren Schicht (2b) durch eine Energiequelle,

— S6: Wiederholen der vorhergehenden Schritte S1 bis S5 bis die vorbestimmte Gasverarbeitungsvorrichtung hergestellt ist, wobei die Gasverarbeitungsvorrichtung gegebenenfalls nachbearbeitet wird,

— 587: Aufbringen eines katalytischen Materials auf die Gasverarbeitungsvorrichtung (1), wobei insbesondere vorab eine

Zwischenschicht aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzen der ersten Schicht (2a) und der weiteren Schichten (2b) durch einen Laser durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzen der ersten Schicht (2a) und der weiteren Schichten (2b) durch einen Elektronenstrahl durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) zum Aufbringen des katalytischen Materials in eine katalytische Lösung eingetaucht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) zum Aufbringen des katalytischen Materials mit katalytischem Material besprüht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (2a, 2b) mit einer Wandstärke im Bereich von etwa 10 um bis etwa 100 um hergestellt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (2a, 2b) mit Aussparungen (3) hergestellt werden, wobei die Schichten (2a, 2b) derart zueinander angeordnet werden, dass die Aussparungen (3) jeweils

versetzt zueinander angeordnet sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass

eine hohlzylindrische Gitterstruktur hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass

die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) einteilig hergestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) mit einer weiteren Gasverarbeitungsvorrichtung

stoffschlüssig verbunden wird.

11. Gasverarbeitungsvorrichtung (1) für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, hergestellt durch ein additives Verfahren, insbesondere durch ein

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Gasverarbeitungsvorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

dass die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) einteilig ausgebildet ist.

13. Gasverarbeitungsvorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) zumindest einen

Brenner (20) umfasst.

14. Gasverarbeitungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) zumindest einen

Verdampfer (30) umfasst.

15. Gasverarbeitungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverarbeitungsvorrichtung (1) zumindest einen Wärmetauscher (40) umfasst, wobei der Wärmetauscher (40) zumindest eine Fluidzuführleitung (50) umfasst.

16. Verwendung einer Gasverarbeitungsvorrichtung (1) nach einem der

Ansprüche 11 bis 15 in einem SOFC-System.

17. Brennstoffzellensystem (100) mit einer Gasverarbeitungsvorrichtung (1) nach

einem der Ansprüche 11 bis 15.