DE102004019263B4 - Apparatus for producing near-pure hydrogen by reforming and method of manufacturing the apparatus - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Erzeugung von nahezu reinem Wasserstoff durch Reformierung von Einsatzstoffen, welche zumindest einen Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Ausgangsstoff und Wasser umfassen, wobei der Reformierung in einem Bereich zur Umsetzung der Einsatzstoffe wenigstens eine für Wasserstoff selektiv durchlässige Wasserstoffseparationsmembran nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich zur Umsetzung der Einsatzstoffe (E) und die Wasserstoffseparationsmembran (3) in einem Bauteil (Vorrichtung 1, 1', 1'') integriert sind, und dass das Trägermaterial im wesentlichen aus mikrostrukturiertem, einkristallinem Silizium besteht.Device for producing virtually pure hydrogen by reforming feedstocks which comprise at least one starting material comprising carbon and hydrogen and water, wherein the reforming is followed by at least one hydrogen-selectively permeable hydrogen separation membrane in a region for reacting the feedstocks, characterized in that the region for the implementation of the starting materials (E) and the hydrogen separation membrane (3) in a component (device 1, 1 ', 1' ') are integrated, and that the carrier material consists essentially of microstructured, monocrystalline silicon.
Description
Einleitungintroduction
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von nahezu reinem Wasserstoff durch Reformierung von Einsatzstoffen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines mikro-strukturiertem Silizium-Bauteils zur Erzeugung von nahezu reinem Wasserstoff gemäß der im Oberbegriff von Anspruch 12 näher definierten Art. Die Erfindung kann in einem Brennstoffzellensystem unter Verwendung der oben genannten Vorrichtung bestimmungsgemäß eingesetzt werden und eignet sich insbesondere durch die Verwendung des Silizium-Trägermaterials für den Einsatz in kompakten Miniatur-Brennstoffzellen (BZ) in der Leistungsklasse bis 50 W (Consumer-Elektronik, Notebook, PDA usw.) bis zu BZ-Systemen als on-board Energieversorgung in mobilen Systemen (z. B. auxiliary power unit (APU) in KfZ).The The invention relates to a device for producing almost pure Hydrogen by reforming feedstocks according to the preamble of claim 1. In addition The invention relates to a method for producing a microstructured Silicon component for the production of nearly pure hydrogen according to the The preamble of claim 12 closer defined type. The invention can be used in a fuel cell system used as intended using the above device be and in particular by the use of the silicon substrate for the Use in compact miniature fuel cells (BZ) in the power class up to 50 W (consumer electronics, notebook, PDA, etc.) up to BZ systems as on-board power supply in mobile systems (eg auxiliary power unit (APU) in motor vehicles).
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Reformer zur Herstellung von Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltigem Gas aus gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffderivaten, beispielsweise Benzin, Diesel, Methanol etc. bekannt. Üblicherweise findet die Reformierung unter Anwesenheit von Wasser und/oder Sauerstoff statt. Das so mittels partieller Oxidation und/oder Dampfreformierung erzeugte Reformat enthält einen großen Anteil an Wasserstoff, welcher über optional nachgeschaltete Wassergasshiftreaktoren noch weiter erhöht werden kann.Out The general state of the art are reformers for the production of hydrogen or hydrogen-containing gas from gaseous or liquid hydrocarbons or hydrocarbon derivatives, for example gasoline, diesel, Methanol etc. known. Usually finds the reforming in the presence of water and / or oxygen instead of. The so by means of partial oxidation and / or steam reforming contains generated reformate a large share to hydrogen, which over optionally downstream Wassergasshiftreaktoren be further increased can.
Um das wasserstoffhaltige Gas beispielsweise als anodenseitiges Betriebsmittel in einer Brennstoffzelle verwenden zu können, sind meist noch Reinigungseinrichtungen, wie z. B. selektive Oxidationsstufen oder für Wasserstoff selektiv durchlässige Membranen zum Abtrennen von nahezu reinem Wasserstoff aus dem Reformat, vorhanden.Around the hydrogen-containing gas, for example, as an anode-side equipment to be able to use in a fuel cell are usually still cleaning equipment, such as B. selective oxidation states or for hydrogen selectively permeable membranes for separating almost pure hydrogen from the reformate, present.
Als
Beispiel für
eine derartige Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff sei hier
die durch die
Da
Brennstoffzellensysteme immer kleiner und leistungsfähiger werden,
besteht vor allem im Bereich von Hilfsenergieerzeugern, sogenannten APUs
(auxiliary power unit), im Bereich von Transportmitteln, wie z.
B. Kraftfahrzeugen, und bei mobilen elektronischen Apparaten, wie
Notebook Computer etc., ein hoher Bedarf an möglichst kleinen und leichten
Komponenten hoher Leistungsfähigkeit.
Die aus dem allgemeinen Stand der Technik und der beispielhaft angeführten
Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen derart zu schaffen, so dass die Erzeugung von Wasserstoff mit hoher Effizienz bei minimalem Bedarf an Bauraum ermöglicht wird.outgoing It is the object of the present invention to provide a Apparatus according to the preamble of claim 1, a method of manufacture such a device for to create the use in fuel cell systems such that the production of hydrogen with high efficiency at minimum Need for space is made possible.
Beschreibungdescription
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Durch die Integration des Bereichs zur Umsetzung der Einsatzstoffe, in welchem also zumindest die Reformierung und gegebenenfalls eine Wassergasshiftreaktion abläuft, und der Wasserstoffseparationsmembran in ein Bauteil ergibt sich ein erheblicher Vorteil hinsichtlich des benötigten Bauraums und hinsichtlich der Anzahl an benötigten Komponenten. Durch die Verwendung von mikro-strukturiertem Silizium als trägermaterial wird außerdem eine wirtschaftliche Herstellung und eine perfekte Strukturierbarkeit dieser Vorrichtung gewährleistet, die sich außerdem in einem weiten Größenbereich herstellen lässt und sich sowohl für kompakte Miniatur-BZ als auch für BZ-Systeme mit Leistungsklassen bis einige kW eignet. Die Bereitstellung von nahezu reinem Wasserstoff kann damit erstmals durch im wesentlichen ein einziges Bauteil erfolgen.According to the invention this Task by the device with the in the characterizing part of claim 1 mentioned features solved. By integrating the area for the implementation of the feedstock, in which therefore at least the reforming and possibly a Water gas lift reaction expires, and the hydrogen separation membrane in a component results a considerable advantage in terms of the required installation space and in terms of the number of required Components. Through the use of micro-structured silicon as a carrier material is Furthermore economical production and perfect structuring this device ensures in addition in a wide size range can be produced and be both compact Miniature BZ as well for BZ systems with performance classes up to a few kW. The supply of nearly pure hydrogen can thus be done for the first time by essentially a single component.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bereich der Umsetzung der Einsatzstoffe als poröses Trägermaterial für die Wasserstoffseparationsmembran ausgebildet ist. Das Trägermaterial kann damit als mechanische Unterstützung für die Wasserstoffseparationsmembran dienen. Je dünner, und damit jedoch auch mechanisch instabiler, nämlich eine Wasserstoffseparationsmembran, z. B. aus Palladium, ausgeführt werden kann, desto besser ist die Permeationsrate für den Wasserstoff. Das poröse und dadurch von dem erzeugten Reformat leicht zu durchströmende Trägermaterial ermöglicht aufgrund seiner Stabilität als mechanische Unterstützung der als Wasserstoffseparationsmembran geeigneten dünnen Schicht eine sehr dünne und damit hocheffektive Wasserstoffseparationsmembran.According to one very advantageous development of the invention, it is provided that the area of implementation of the feedstocks as a porous carrier material for the Hydrogen separation membrane is formed. The carrier material can thus serve as mechanical support for the hydrogen separation membrane serve. The thinner, and thus also mechanically unstable, namely a hydrogen separation membrane, z. B. of palladium executed The better the permeation rate for hydrogen. The porous and characterized easily by the generated reformate to be flowed through carrier material allows because of its stability as mechanical support the thin layer suitable as a hydrogen separation membrane a very thin one and thus highly effective hydrogen separation membrane.
Außerdem weist das Trägermaterial aufgrund seiner Porosität eine sehr große Oberfläche auf. Da die eigentliche Umsetzung der Einsatzstoffe im Bereich des Trägermaterials stattfindet, kann hier eine sehr große mit katalytisch aktivem Material beschichtbare Oberfläche zur Verfügung gestellt werden, was wiederum die Umsetzung verbessert und die Wasserstoffausbeute je Volumeneinheit erhöht. In einer weiteren, besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Bereich der Umsetzung der Einsatzstoffe mehrere in Strömungsrichtung nacheinander geschaltete Teilbereiche aufweist, welche jeweils in Kontakt mit einem Teil der Wasserstoffseparationsmembran sind.In addition, the carrier material has a very large surface area due to its porosity. Since the actual conversion of the starting materials takes place in the region of the carrier material, a very large surface which can be coated with catalytically active material can be made available here, which in turn improves the conversion and increases the hydrogen yield per unit volume. In a further, particularly advantageous embodiment of the invention, it is proposed that the region of the reaction of the starting materials has a plurality of subregions connected in succession in the flow direction, which are each in contact with a part of the hydrogen separation membrane.
Damit kann erreicht werden, dass der in jedem der Teilbereiche erzeugte Wasserstoff unmittelbar nach seiner Erzeugung durch die Wasserstoffseparationsmembran abgezogen wird. Eine ansonsten übliche Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts zur Eduktseite kann somit vermieden werden. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass die Reaktion in allen Teilbereichen vergleichbar gut abläuft, da eine Erhöhung der Wasserstoffkonzentration in Strömungsrichtung und damit eine Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts zu ungunsten der gewünschten Reaktion vermieden wird. Die Wasserstoffausbeute je Volumeneinheit steigt gegenüber dem Stand der Technik an. Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 12 angegeben.In order to can be achieved that generated in each of the sections Hydrogen immediately after its generation by the hydrogen separation membrane is deducted. An otherwise usual Shifting of the reaction equilibrium to the educt side can thus be avoided. This results in the particular advantage that the reaction proceeds comparably well in all subsections because an increase the hydrogen concentration in the flow direction and thus a Displacement of the reaction equilibrium to the disadvantage of the desired Reaction is avoided. The hydrogen yield per unit volume rises above that State of the art. A method for producing the device according to the invention is characterized by the features in the characterizing part of claim 12 specified.
Durch das Aufbringen der als Wasserstoffseparationsmembran geeigneten Schicht, wobei zwischen dieser und dem Substrat gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Schichten als Haftvermittler und/oder zum Ausgleich von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vorhanden sein können, und das anschließende Durchätzen des Substrats bis zu der als Wasserstoffseparationsmembran geeigneten Schicht, z. B. Palladium, kann die Membran samt ihrem mechanischen, als Bereich zur Umsetzung der Einsatzstoffe dienenden porösen Trägermaterial schnell und einfach hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erlaubt es, auch bei kleinsten Abmessungen, beispielsweise bei typischen Strukturlängen von weniger als 200 μm, die hocheffizient arbeitende Vorrichtung über, auch im Rahmen einer Serienfertigung leicht handzuhabender Prozesse, schnell und einfach herzustellen.By the application of the suitable as a hydrogen separation membrane Layer, wherein between this and the substrate optionally one or several more layers as a primer and / or to compensate of different thermal expansion coefficients available could be, and the subsequent one etching through of the substrate up to that suitable as a hydrogen separation membrane Layer, z. As palladium, the membrane, together with its mechanical, as a region for the implementation of the feedstock serving porous support material be made quickly and easily. The manufacturing method according to the invention allows it, even with the smallest dimensions, for example, at typical structure lengths of less than 200 μm, the highly efficient device over, even in the context of a series production easily processes to be handled quickly and easily.
Erfindungsgemäß wird als Trägermaterial bzw. als Substrat einkristallines Silizium verwendet. Durch den bekannten Mikro-Strukturierungsvorteil von Silizium gegenüber herkömmlichen metallischen Strukturen lässt sich eine deutliche Steigerung der Kompaktheit und Effizienz von miniaturisierten Gaserzeugungsvorrichtungen bewirken. Die Herstellung und Strukturierung von derartigem Silizium ist mit den üblichen Mitteln der Mikro- und Nano-Technologie besonders leicht und in besonders kleinen Abmessungen möglich.According to the invention as Carrier material or used as a substrate monocrystalline silicon. By the well-known Micro-structuring advantage of silicon over conventional metallic structures let yourself a significant increase in the compactness and efficiency of miniaturized gas generators cause. The production and structuring of such silicon is with the usual Means of micro and nano technology particularly light and in especially small dimensions possible.
Des weiteren weist Silizium den Vorteil einer sehr guten Wärmeleitung auf, so dass thermische Energie zwischen den einzelnen Bereichen sehr leicht geleitet und ausgetauscht werden kann. Exotherme Abläufe können so aufgrund von thermischen Ausgleichseffekten zwischen den einzelnen Bereichen des Trägermaterials endotherme Abläufe bei der Umsetzung der Einsatzstoffe mit Energie versorgen. Auch die aus einer zumindest beim Einsatz in Brennstoffzellensystemen üblichen Verbrennung oder katalytischen Verbrennung von Restgas oder Abgasen stammende thermische Energie kann so selbstständig zu den sie benötigenden Prozessen geleitet werden.Of Furthermore, silicon has the advantage of very good heat conduction on, allowing thermal energy between each area can be easily routed and exchanged. Exothermic processes can do so due to thermal balancing effects between the individual Areas of the substrate endothermic processes supply energy during the implementation of the input materials. Also from a usual at least when used in fuel cell systems Combustion or catalytic combustion of residual gas or exhaust gases derived thermal energy can thus independently to those they need Processes are conducted.
Daneben stellt außerdem noch die Wärmestabilität und Beständigkeit des Siliziums gegenüber Temperaturzyklen, insbesondere bei den im Rahmen des bevorzugten Einsatzes in Hilfsenergieerzeugern oder Stromversorgungseinrichtung für mobile elektrische Apparate meist diskontinuierlich betriebene Vorrichtungen, einen bedeutenden Vorteil dar.Besides as well still the heat stability and durability of silicon towards temperature cycles, in particular in the case of the preferred use in auxiliary power generators or Power supply device for mobile electrical apparatus mostly discontinuously operated devices, a significant advantage.
In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Ätzen der Strukturen in der Art, dass diese zuerst mittels eines photolithographischen Prozesses definiert und dann durch Ätzprozesse in das Substrat übertragen werden. Die an sich bekannte, nicht nur bei der Strukturierung von Silizium übliche und prozesssicher zu beherrschende Technik, wie z. B. Plasma-Ätzen oder anodisches Ätzen, offenbart eine einfache und effiziente Herstellung von vorgegebenen Strukturen. Sie erlaubt damit eine sehr freie und dennoch leicht zu fertigende Gestaltung der Strukturen.In a cheap one Embodiment of the invention, the etching of the structures in the Kind of that first by means of a photolithographic process defined and then by etching processes transferred to the substrate become. The well-known, not only in the structuring of Silicon usual and reliable technique to be controlled, such. As plasma etching or anodic etching, discloses a simple and efficient production of predetermined Structures. It allows a very free, yet easy to be produced design of the structures.
Eine ausgesprochen vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auf der Seite der Strukturen in einem Randbereich des Substrats mittels eines photolithographischen Prozesses Justierstrukturen definiert und durch Ätzen in das Substrat übertragen werden.A extremely advantageous development of the invention provides that on the side of the structures in an edge region of the substrate By means of a photolithographic process adjustment structures defined and by etching transferred to the substrate become.
Die Justierstrukturen, welche auch als Alignment-Strukturen bezeichnet werden, erlauben ein einfaches und effizientes Zusammensetzen der einzelnen Substrate zu der Vorrichtung. Die Justierstrukturen sind dabei außerhalb des Bereichs angeordnet, der die aktiven Strukturen enthält. Die Substrate unterscheiden sich also lediglich in den Justierstrukturen und sind bzw. können ansonsten identisch ausgebildet sein. Im Sinne einer effizienten und kostengünstigen Fertigung würde es sich also anbieten, die Substrate identisch zu fertigen und die Justierstrukturen in einem unabhängig von der restlichen Fertigung ablaufenden Prozess zu definieren und einzubringen.The Alignment structures, which are also referred to as alignment structures allow a simple and efficient assembly of the individual substrates to the device. The adjustment structures are while outside of the area containing the active structures. The Substrates thus differ only in the Justierstrukturen and are or can otherwise be identical. In the sense of an efficient and cost-effective Manufacturing would So it is advisable to manufacture the substrates identically and the Adjustment structures in one independently to define and implement the process running from the remaining production.
Bei der Montage von jeweils zwei Substraten können dann die Justierstrukturen so ineinander greifen, dass sich die um eine halbe Strukturlänge versetzte Anordnung der Substrate zueinander selbsttätig ergibt. Die Justierstrukturen vereinfachen das Zusammensetzen der Substrate damit deutlich. Außerdem kann die Verbindung der einzelnen Substrate, welche üblicherweise gasdicht ausgebildet sein wird, zumindest teilweise im Bereich der Justierstrukturen erfolgen, entweder durch eine einfaches Zusammensetzen der Justierstrukturen, so dass die Flächen im Bereich der Justierstrukturen aneinander ansprengen, oder über ein übliches Waferbonden in diesem BereichWhen mounting two substrates in each case, the alignment structures can mesh with one another in such a way that the arrangement of the substrates displaced by half a structural length results automatically. The adjustment structures simplify the process Sammensetzen the substrates so clearly. In addition, the connection of the individual substrates, which will usually be formed gas-tight, at least partially carried out in the field of Justierstrukturen, either by a simple assembly of the Justierstrukturen so that the surfaces in the region of Justierstrukturen abut each other, or a conventional Waferbonden in this area
Die Anwendung dieser Erfindung zieltt auf ein Brennstoffzellensystem ab, umfassend wenigstens eine Brennstoffzelle und eine Vorrichtung zur Erzeugung von nahezu reinem Wasserstoff durch Reformierung zumindest eines Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Ausgangsstoffes und Wasser, wobei der Reformierung wenigstens eine für Wasserstoff selektiv durchlässige Wasserstoffseparationsmembran nachgeschaltet ist. Die genannte Vorrichtung ist dabei gemäß der Erfindung ausgebildet und/oder nach einem Verfahren gemäß der Erfindung herstellbar. Aufgrund der eingangs bereits ausführlich erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihres Herstellungsverfahrens und der sehr kompakten und effizienten Bauweise ergeben sich die Vorteile für das Brennstoffzellensystem analog.The Application of this invention is to a fuel cell system comprising at least one fuel cell and a device to produce almost pure hydrogen by reforming at least a carbon and hydrogen-containing starting material and Water, wherein the reforming at least one hydrogen-selectively permeable hydrogen separation membrane is downstream. Said device is according to the invention trained and / or produced by a method according to the invention. Due to the already explained in detail at the outset advantages of the device according to the invention as well as their manufacturing process and the very compact and efficient Construction results in the advantages for the fuel cell system analog.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung findet ein derartiges Brennstoffzellensystem als Hilfsenergieerzeuger in einem Transportmittel zu Wasser, zu Lande oder in der Luft oder als elektrischer Energieerzeuger in mobilen elektrischen Apparaten.A Particularly advantageous use is such a fuel cell system as an auxiliary energy generator in a means of transport to water, too Land or in the air or as an electric power generator in mobile electrical apparatus.
Bei diesen bevorzugten Verwendungen lassen sich die besonderen Vorteile hinsichtlich der ausgesprochen kompakten Bauform und der hohen Umwandlungseffizienz ideal nutzen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnungen näher dargestellten Ausführungsbeispiel.at These preferred uses are the particular advantages in terms of extremely compact design and high conversion efficiency ideal use. Further advantageous embodiments of the invention arise from the remaining subclaims and from the following closer to the drawings illustrated embodiment.
Dabei zeigenthere demonstrate
Das
nachfolgende Ausführungsbeispiel
beschreibt die Herstellung bzw. den Aufbau einer Vorrichtung
Brennstoffzellensysteme, und hier insbesondere sogenannte Mikrobrennstoffzellensysteme, werden zunehmend für tragbare elektronische High-Tech Endapparate, wie zum Beispiel Notebook Computer, eingesetzt. Für alle Arten von Transportmittel zu Lande, im Wasser und in der Luft, hier jedoch insbesondere für Kraftfahrzeuge, wird die Brennstoffzellen-Technologie nicht nur als umweltschonende Antriebstechnologie eingesetzt, sondern auch in Form von Hilfsenergieerzeugern als Stand- und Unterstützungsenergieversorgung für Klimaanlage, Radio, Navigations-, Kommunikationseinrichtungen und dergleichen. Typischerweise haben derartige Hilfsenergieerzeuger (APU/auxiliary power unit) eine elektrische Leistung von 3 bis 10 kW.Fuel cell systems and in particular so-called micro fuel cell systems increasingly for portable high-tech electronic terminals, such as notebook computers, used. For all types of means of transport on land, in the water and in the air, here, however, especially for Motor vehicles, fuel cell technology is not only used as an environmentally friendly drive technology, but also in the form of auxiliary energy generators as stand and support energy supply for air conditioning, Radio, navigation, communication equipment and the like. Typically, such auxiliary power generators (APU / auxiliary power unit) an electrical power of 3 to 10 kW.
Um die Brennstoffzellen mit leicht zu handhabendem und annähernd überall verfügbarem Brennstoff hoher Energiedichte betreiben zu können, wird im allgemeinen auf flüssige, Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisende Brennstoffe, wie z. B. Benzin, Diesel, Methanol oder dergleichen, zurückgegriffen.Around the fuel cells with easy-to-use and almost everywhere available fuel To operate high energy density is generally on liquid, Carbon and hydrogen-containing fuels, such. Gasoline, Diesel, methanol or the like, resorted.
Um daraus den für den Betrieb der Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels, z. B. auf Basis von PEM-Brennstoffzellen notwendigen Wasserstoff zu erhalten, ist eine Reformierung des Brennstoffs nötig, die die langkettigen Kohlenwasserstoffe in Wasserstoff und Kohlendioxid umwandelt.Around from it the for the operation of the fuel cell or a fuel cell stack, z. B. based on PEM fuel cell necessary hydrogen To obtain a reforming of the fuel is necessary the long-chain hydrocarbons in hydrogen and carbon dioxide transforms.
Im
allgemeinen werden dazu die Einsatzstoffe, welche zumindest Wasser
und den Brennstoff, sowie gegebenenfalls noch Sauerstoff in Form
von z. B. Luft, umfassen im wesentlichen in Wasserstoff, Kohlendioxid
und Kohlenmonoxid umgewandelt. Der Prozess der eigentlichen Reformierung
läuft als
reine endotherme Dampfreformierung (Gleichung 1b) oder als Kombination
aus endothermer Dampfreformierung (Gleichung 1b) und exothermer
partieller Oxidation (Gleichung 1a), als sogenannte autotherme Reformierung
ab.
Meistens,
jedoch nicht zwingend, folgt auf die Reformierung noch eine Wassergasshiftreaktion (Gleichung
2), welche den CO-Anteil verringert und den Wasserstoffanteil in
dem erzeugten Gas weiter erhöht.
Um das wasserstoffhaltige Gas als anodenseitiges Betriebsmittel in der Brennstoffzelle verwenden zu können, sind noch Feingasreinigungseinrichtungen notwendig. Eine besonders effektive und günstige Art aus dem erzeugten Reformatgasstrom nahezu reinen Wasserstoff abzutrennen, wird in für Wasserstoff selektiv durchlässigen Membranen, sogenannten Wasserstoffseparationsmembranen, gesehen. Derartige Membranen sind an sich seit langem bekannt, wobei Palladium (Pd) einer der bevorzugten Werkstoffe für die Herstellung von derartigen Wasserstoffseparationsmembranen ist.Around the hydrogen-containing gas as anode-side equipment in to be able to use the fuel cell, are still fine gas cleaning equipment necessary. A particularly effective and cheap way of producing Reformatgasstrom almost pure hydrogen separate, is in for hydrogen selectively permeable Membranes, so-called hydrogen separation membranes, seen. Such membranes have long been known per se, with palladium (Pd) one of the preferred materials for the preparation of such hydrogen separation membranes is.
Zur Unterstützung der Umsetzung von Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Ausgangstoffen und Wasser und/oder Luft in Wasserstoff, sowie zur Durchführung der Wassergasshiftreaktion werden üblicherweise Reaktoren eingesetzt, welche im Bereich ihrer inneren Oberfläche wenigstens ein katalytisch aktives Material, wie z. B. Pt, Pd, Ni, Au, aufweisen.to support the implementation of carbon and hydrogen starting materials and water and / or air in hydrogen, as well as to carry out the Water gas shift reactions usually become Reactors are used, which in the region of its inner surface at least a catalytically active material, such as. As Pt, Pd, Ni, Au, have.
Entscheidende Kriterien für den Umsetzungsgrad sind dabei das Oberflächen/Volumen-Verhältnis des Reaktors, die Druckdifferenz über den Reaktorraum sowie der Wärmeaustausch an der Grenzfläche zu den Einsatzstoffen.decisive Criteria for the degree of conversion are the surface / volume ratio of Reactor, the pressure difference over the reactor space and the heat exchange at the interface to the starting materials.
In
Durch
das von der Wasserstoffseparationsmembran
Die
eingangs genannten Anforderungen an die Vorrichtung
In
der prinzipmäßig angedeuteten
Vorrichtung
Für das nachfolgend
in
Bei
der in einem Längsschnitt
prinzipmäßig dargestellten
Vorrichtung
Die
Teilbereiche
In
jedem einzelnen der Teilbereiche
Dadurch
wird dieses Gleichgewicht quasi-kontinuierlich geändert und
die Umsetzung wird so mit hoher Umsetzungsrate in Gang gehalten
bzw. in jedem der Teilbereiche
Bei
der Vorrichtung
Anhand
von
Ausgangsstoff
für die
Herstellung der Vorrichtung
Im
nächsten
Verfahrenschritt, welcher durch
Nachdem
die Struktur
Nach
Entfernen des Photolacks
Zwei
der so entstandenen Module
Um
nun dieses Zusammenfügen
zu erleichtern, werden in einem Bereich des Substrats
Die
Justierstrukturen
Dieses
Zusammenfügen
kann in rein mechanischer Art oder bevorzugt durch die so genannte Waferbonding-Technik
bewerkstelligt werden, um einen gasdichten Abschluss der so ineinander
gesetzten Module zu gewährleisten.
Zusätzlich
zu ihrer Aufgabe als Positionierungshilfe kann so im Bereich der Justierstrukturen
auch die gasdichte Verbindung der Module
Nach
dem Einbringen der Eintrittsöffnungen
Wie
in
Wie
im Aufbau gemäß
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