DE102008005839A1 - Verfahren zur thermischen Integration eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Integration eines Brennstoffzellensystems, welches zur Erzeugung von Strom aus einem Brennstoff aus flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen vorgesehen ist und in welchem eine Verdampfung des Brennstoffes, eine Reformierung des bei der Verdampfung entstehenden Gasgemisches und Wärmeübertragung stattfinden. In einer Baueinheit aus gleichartigen, aufeinander gestapelten und zum Teil katalytisch beschichteten Wärmeübertragerblechen (20), welche Strömungsräume bilden, werden mittels eines Systems von in den Blechen (20) ausgebildeten Einlass- und Auslassöffnungen (22a, 22b, 22c) Abgase (11) der Brennstoffzelle(n) zur Temperierung des Reformats (14) und in Verbrennungsprozessen zur Verdampfung des Brennstoffes und zur Unterstützung der Reformierung des bei der Verdampfung entstehenden Gasgemisches verwendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Integration eines Brennstoffzellensystems, welches zur Erzeugung von Strom aus einem Brennstoff aus flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen vorgesehen ist und in welchem eine Verdampfung des Brennstoffes, eine Reformierung des bei der Verdampfung entstehenden Gasgemisches und Wärmeübertragung stattfinden.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Strom aus flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen, mit zumindest einem Verdampfer mit Verdampferbrenner, zumindest einem Reformer mit Reformerbrenner, Wärmeübertragern und zumindest einer Brennstoffzelle.
  • Zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Brenngases durch Reformierung aus Kohlenwasserstoffen und/oder Alkoholen für Brennstoffzellen ist üblicherweise ein wärmetechnisch komplexes Netzwerk aus Reaktoren zur Reformierung und Verbrennung, aus Verdampfern und Wärmeübertragern erforderlich. Wegen der unterschiedlichen Geometrien der eingesetzten Systemkomponenten und der erforderlichen Verbindungselemente zwischen diesen sind die Brennstoffzellensysteme meist großvolumig aufgebaut und mit großen Wärmeverlusten behaftet. Die in Brennstoffzellensystemen vorliegenden unterschiedlichen Temperaturniveaus erschweren darüber hinaus eine Integration von Komponenten einer Brenngaserzeugung in ein Bauteil und die thermisch integrierte Kopplung der Brenngaserzeugung mit der bzw. den Brennstoffzellen.
  • Brennstoffzellensysteme enthalten mindestens eine Brennstoffzelle mit Anoden- und Kathodenraum, welche durch geeignete Elektrolyten von einander abgetrennt sind. Der Anodenraum wird mit Brenngas (Reformat), durchströmt, welches zu einem Teil Wasserstoff sowie andere Begleitstoffe enthält. Ein großer Teil des Wasserstoffs wird auf der Anodenseite elektrochemisch oxidiert und auf der Anodenaustrittsseite wieder abgeführt. Auf der Kathodenseite wird ein sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft, zugeführt, welches unter Bildung von Wasser reduziert wird.
  • Bei der Reformierung muss, wenn die Edukte in flüssiger Form vorliegen, zunächst Kohlenwasserstoff oder Alkohol mit flüssigem Wasser in die Gasphase überführt werden. Anschließend erfolgt die Reformierung des gasförmigen Eduktgemisches. Diese beiden Prozessstufen benötigen Wärme, zum Beispiel durch Verbrennung, vorzugsweise durch Verbrennung des in der Brennstoffzelle nicht umgesetzten Wasserstoffs, wodurch die Brenngaserzeugung und die Brennstoffzelle prozesstechnisch aneinander gekoppelt sind. Nach der Reformierung muss das Temperaturniveau des erzeugten Brenngases an die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle angeglichen werden, um eine irreversible Schädigung der Brennstoffzelle zu vermeiden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit der Verwendung zumindest eines Wärmeübertragers im Brennstoffzellensystem. Im Sinn einer wärmetechnischen Optimierung ergeben sich weitere Ansatzpunkte zur Kopplung von Prozessstufen mittels Wärmeübertragern.
  • Kompakte und zumindest teilweise integrierte Brenngaserzeugungseinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist beispielsweise in der DE-A-10 206 019 409 die thermische Kopplung eines Reformers und eines Brenners beschrieben. Die diesbezügliche Vorrichtung weist koaxiale Rohre auf, die jeweils die Reaktions- bzw. Verdampfungszonen enthalten. Dabei wird eine Brennkammer zur Beheizung der Verdampfung und der Reformierung verwendet. Das gebildete Reformat wird zur Überhitzung der Reformeredukte eingesetzt. Aus der EP-B1 446 609 ist eine kompakte Reformereinheit bekannt, bei welcher die Beheizung der Prozessstufen Verdampfung und Reformierung durch das Verbrennen eines Kohlenwasserstoffs in einer porösen Matrix erfolgt. Weitere Reformierungskonzepte sind aus der DE-A-10 206 031 480 , der DE-A-10 206 042 661 und der DE-A-10 206 047 151 bekannt. Die DE-A-10 206 042 59 beschreibt ein kompaktes Brennstoffzellensystem, welches auf der Dampfreformierung von Methanol und einer HT-PEM-Brennstoffzelle basiert, wobei das System auf Multischicht-Dünnfilm aufgebaut ist und eine elektrische Beheizung vorgesehen ist. Das Brennstoffzellenabgas wird in Brennern nachverbrannt.
  • In vielen Anwendungsfällen, insbesondere bei mobilen Brennstoffzellensystemen mit relativ kleiner Leistung, ist es nicht nur erwünscht, sondern auch prozessbedingt notwendig, große Oberflächen zur Minimierung von Wärmeverlusten zu vermeiden und zur Erreichung einer optimalen Leistungsdichte möglichst sämtliche Systemkomponenten ohne Verwendung von mechanischen Verbindungen in ein einziges Bauteil integrieren zu können. Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, ein Verfahren bereitzustellen, gemäß welchem ein derart integriertes Brennstoffzellensystem funktionieren kann und ein nach dem Verfahren arbeitendes System zur Verfügung zu stellen.
  • Was das Verfahren betrifft, wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einer Baueinheit aus gleichartigen, aufeinander gestapelten und zum Teil katalytisch beschichteten Wärmeübertragerblechen, welche zwischen sich Strömungsräume bilden, mittels eines Systems von in den Blechen ausgebildeten Einlass- und Auslassöffnungen Abgase der Brennstoffzelle(n) zur Temperierung des Reformats und in Verbrennungsprozessen zur Verdampfung des Brennstoffes und zur Unterstützung der Reformierung des bei der Verdampfung entstehenden Gasgemisches verwendet werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Baueinheit aus gleichartigen, strukturierten und zum Teil katalytisch beschichteten, aufeinander gestapelten Blechen vorgesehen ist, die als Wärmeübertrager wirken und zwischen sich Strömungsräume, zumindest einen Reformer-Reaktionsraum und zumindest einen Verdampferraum, bilden, wobei die Bleche mit einem System von Einlass- und Auslassöffnungen versehen sind, welche innerhalb der Baueinheit ein gezieltes Zu- und Ableiten der beteiligten Medien in und aus bestimmte(n) Strömungsräumen(n) gestatten.
  • Die Erfindung ermöglicht einerseits eine Integration von Komponenten eines Brennstoffzellensystems in eine einzige sehr kompakte Baueinheit und andererseits eine bislang nicht mögliche Nutzung der Wärmeenergie, die in einem Brennstoffzellensystem entsteht und zur Verfügung steht. Die Erfindung gestattet eine optimale Nutzung der frei werdenden Wärme für diejenigen Prozesse, die eine Beheizung erfordern.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind für eine Anwendung in Brennstoffzellensystemen vorgesehen, welche Brennstoffzellentypen enthalten, bei denen das im Kathodenabgas befindliche Wasser in der Gasphase vorliegt. Zu diesen Brennstoffzellentypen gehören insbesondere Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (HT-PEMFC) oder Festelektrolyt-Brennstoffzellen, wie die SAFC (Solid Acid Fuel Cell) sowie die AFC (Aecain Fuel Cell) oder die PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell). Als Brennstoffe für derartige Brennstoffzellentypen eignen sich flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe oder Alkohole, wie beispielsweise Diesel, Heizöl, Benzin, Methanol und Erdgas, also kohlenwasserstoffhaltige Einsatzstoffe, welche durch einen Reformierungsprozess unter Zufuhr von Sauerstoff/Luft und/oder Wasserdampf/Wasser in ein wasserstoffreiches Gasgemisch überführt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die im Brennstoffzellensystem in den Verbrennungsprozessen entstehenden Abgase durch Wärmeübertragung zum Vorwärmen der kathodenseitig zuzuführenden Luft genutzt.
  • In der Baueinheit aus aufeinander gestapelten Blechen lassen sich die Strömungsräume zwischen den Blechen auf einfache Weise von ausgeformten Strukturelementen der Bleche bilden. Die Baueinheit weist daher einen sehr kompakten Aufbau mit geringem Gewicht auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die ausgeformten Strukturelemente in der Form von Rippenstrukturen wodurch auf einfache Weise zwischen aufeinander gestapelten Blechen definierte Strömungskanäle gebildet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die Verbrennungsprozesse in Strömungsräumen zwischen aufeinander gestapelten Blechen stattfinden, wobei zur Unterstützung der Verbrennungsprozesse zumindest eines dieser Bleche katalytisch beschichtet wird, und wobei die in den Verbrennungsprozessen entstehende Wärme genutzt wird, indem sie in einen benachbarten Strömungsraum übertragen wird. Diese besondere Wärmenutzung aus Verbrennungsprozessen ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • So ist beispielsweise vorgesehen, dass die Reformierung des bei der Verdampfung entstehenden Gasgemisches in einem Strömungsraum stattfindet, in welchen die Wärme eines Verbrennungsprozesses übertragen wird und welcher von einem Blech begrenzt ist, welches mit einer die Reformierung unterstützenden katalytischen Beschichtung versehen ist.
  • Besonders günstig für einen optimalen Ablauf der einzelnen Prozessschritte ist eine besondere Auslegung des Systems aus Einlass- und Auslassöffnungen in den Blechen, wonach die beteiligten Medien ausschließlich durch die Bleche und die Strömungsräume zwischen den Blechen geleitet werden.
  • Dabei können die Strömungswege, welche ein Durchströmen definierter Einlass- und Auslassöffnungen erfordern, durch gezieltes Abdichten anderer Einlass- und Auslassöffnungen vorgegeben werden. Innerhalb der Baueinheit aus aufeinander gestapelten Blechen kann daher auf aufwendige Verbindungsleitungen verzichtet werden. Dabei kann neben einem gezielten Abdichten bestimmter Einlass- und Auslassöffnungen auch vorgesehen werden, die Strömungswege innerhalb der Baueinheit durch ein definiertes Anordnen von Einlass- und Auslassöffnungen vorzugeben.
  • Die aufeinander gestapelten Bleche in der Baueinheit des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weisen insbesondere in ihrem mittleren Bereich die zu beiden Seiten ausgeformten Strukturelemente auf, wobei sich durch die Stapelung der Bleche aufeinander und den gegenseitigen Kontakt der ausgeformten Strukturelemente die Strömungsräume ausbilden, aber auch ein durch den Stapel durchgehender Anpressdruck über diese Strukturelemente aufgebracht werden kann.
  • Die Baueinheit aus aufeinander gestapelten Blechen kann jeweils eine Anzahl von Reformer-Reaktionsräumen und/oder Verdampferräumen enthalten. Ein Strömungsraum, welcher ein Reformer-Reaktionsraum ist, wird von zumindest einem Blech begrenzt, welches mit einer die Reformierung unterstützenden katalytischen Beschichtung versehen ist, Strömungsräume, welche Verbrennungsräume für Gasgemische sind, werden ebenfalls zumindest einseitig von einem mit einer katalytischen Beschichtung versehenden Blech begrenzt.
  • Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit, in der Baueinheit aus aufeinander gestapelten Blechen auf bestimmte Strömungsräume aus benachbarten Strömungsräumen Wärme zu übertragen. Das System aus Einlass- und Auslassöffnungen wird entsprechend angepasst ausgelegt, indem die in den einzelnen Blechen vorgesehenen Öffnungen, in den einander benachbarten Blechen betrachtet, miteinander fluchtend angeordnet werden. Die vorgesehenen Strömungswege lassen sich auf sehr einfache Weise dadurch realisieren, dass innerhalb der Baueinheit einzelne Öffnungen gegenüber anderen Öffnungen verschlossen werden. Die Unzugänglichkeit bestimmter Öffnungen lässt sich auf einfache Weise durch eingelegte Dichtringe erreichen. Zusätzlich kann vorgesehen sein, lediglich die zu durchströmenden Öffnungen mittels Bohrungen auszubilden. Nicht für den Medienstrom erforderliche Öffnungen in den Blechen bleiben direkt verschlossen.
  • Zwischen den aufeinander gestapelten Blechen ist jeweils eine Randdichtung eingebracht, welche den zwischen den Blechen gebildeten Strömungsraum umschließt und für einen Höhenausgleich zwischen den einzelnen Blechen sorgt. Diese Randdichtungen werden derart ausgebildet, dass sie die als unzugänglich vorgesehenen Öffnungen umschließen und die Strömungswege zu den zu durchströmenden Öffnungen offen halten.
  • Zur Übertragung der Spannkraft der Brenngaserzeugungseinheit sind die aufeinander gesetzten bzw. aufeinander gestapelten Bleche zusätzlich gegenseitig abgestützt. Dazu können in den Blechen ausgeformte, die Öffnungen umlaufende Erhebungen/Vertiefungen vorgesehen sein, die beim Aufeinanderstapeln der Bleche miteinander in Kontakt treten.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele darstellt, näher beschrieben. Dabei zeigen
  • 1 ein Prozessschema,
  • 2 eine Ansicht von drei strukturierten Blechen in einer Explosionsdarstellung mit Rand- und Ringdichtungen,
  • 3 einen Teilquerschnitt durch mehrere aufeinander gestapelte Bleche gemäß der in 4 angedeuteten Schnittlinie I-I,
  • 4 die Bleche aus 3 in Explosionsdarstellung und
  • 5 einen Querschnitt durch drei aufeinander gestapelte Bleche im Bereich von übereinander befindlichen Öffnungen gemäß der in 2 angedeuteten Schnittlinie II-II.
  • 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Prozessschemas mit den wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, zu welchen ein Verdampfer 1c mit Verdampferbrenner 1b, ein Reformer 2c mit einem Reformerbrenner 2b und ein Wärmeübertrager aus zwei Komponenten 3 und 4 gehören, welche jeweils zwei Strömungsräume 3a, 3b und 4a, 4b aufweisen. Dem Wärmeübertrager 3, 4 ist zumindest eine Brennstoffzelle 5 mit einem Anodenraum 5a und einem Kathodenraum 5b nachgeschaltet.
  • Im Verdampferbrenner 1b wird ein brennbares Gasgemisch 11b (Pfeil 11b in 1), insbesondere aus H2, CO und Verbindungen CXHYOZ, mit Sauerstoff verbrannt. Die bei dieser Verbrennung frei werdende Wärme wird im benachbarten Verdampfer 1c zur Verdampfung des hier zugeführten Brennstoffes 16 (Pfeil 16 in 1), welcher ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen oder aus Alkoholen und Wasser sein kann, genützt. Der Brennstoff 16 wird dem Verdampfer 1c aus einem Tank 9 mittels einer Dosierpumpe 8 zugeführt. Das den Verdampfer 1c verlassende Gemisch 12 (Pfeil 12 in 1) wird dem Reformer 2c als Edukt zugeführt. Der dem Reformer 2c zugeordnete Reformerbrenner 2b verbrennt ein brennbares Gasgemisch 11a (Pfeil 11a in 1), welches mit dem Gasgemisch 11b übereinstimmt und aus der gleichen Quelle stammt, wie noch beschrieben wird. Die bei der Verbrennung im Reformerbrenner 2b frei werdende Wärme beheizt die endothermen Reaktionen der Reformierung des Gemisches 12 zur Herstellung eines wasserstoffreichen Gases 14 (Reformat, Pfeile 14 in 1), welches im Strömungsraum 4b des Wärmeübertragers 4 temperiert wird und anschließend der Anode 5a der Brennstoffzelle 5 zugeführt wird.
  • Die aus dem Verdampferbrenner 1b und dem Reformerbrenner 2b austretenden heißen Abgase werden zu einem Abgasstrom 13 (Pfeil 13 in 1) zusammengeführt, welcher dem Strömungsraum 3a des Wärmeübertragers 3 zugeführt wird. In dem dem Strömungsraum 3a benachbarten Strömungsraum 3b des Wärmeübertragers 3 wird Luft 15 (Pfeil 15 in 1) mittels einer Dosiereinheit 10, beispielsweise einem Gebläse oder einer Pumpe, geleitet. Das heiße Abgas 13 gibt Wärme an die Luft 15 ab, welche anschließend der Brennstoffzelle 5 kathodenseitig zugeführt wird. Das abgekühlte Abgas 13 wird in die Umgebungsluft entlassen. Die Abgase aus der Anode 5a und der Kathode 5b der Brennstoffzelle 5 werden zu einem Abgasstrom 11 (Pfeil 11 in 1) zusammengefasst und dem Strömungsraum 4a der Komponente 4 des Wärmeübertragers zugeführt. Hier erfolgt die Wärmeübertragung auf das durch den Strömungsraum 4b geleitete Reformat 14. Das den Strömungsraum 4a verlassende Abgas 11 wird nach Einstellen des Druckes in Einrichtungen 6, beispielsweise Ventilen, in die Gasgemische 11a und 11b aufgeteilt, welche dem Verdampferbrenner 1b und dem Reformerbrenner 2b zugeführt werden, wobei durch eine entsprechende Aufteilung der unterschiedlich hohe Wärmebedarf der beiden Brennvorgänge gedeckt wird. Der Gesamtprozess zeichnet sich daher durch eine optimale Nutzung der verfügbaren Wärme aus. Elektrische Heizungen 7a und 7b ermöglichen den Start des Prozesses und werden nach dem Start abgeschaltet.
  • Bei einer gesondert nicht dargestellten Ausführungsvariante ist vorgesehen, im Wärmeübertrager lediglich Strömungsräume 4a und 4b vorzusehen, wobei in diesem Fall das Abgas 13 aus dem Verdampferbrenner 1b anderweitig gekühlt und abgeführt wird und die Kathodenluft 15 der Brennstoffzelle 5 unvorgewärmt zugeführt wird.
  • Das Gesamtsystem aus Brennern 1b, 2b, Verdampfer 1c, Reformer 2c und Wärmeübertrager 3, 4 wird gemäß der Erfindung auf eine sehr kompakte Weise unter Verwendung von strukturierten Blechen 20 aufgebaut. 2 zeigt eine Ansicht von drei Blechen 20 in Explosionsdarstellung, die im Wesentlichen rechteckförmig und mit abgerundeten Ecken ausgeführt sind. Die Außenabmessungen der Bleche 20 betragen in der Größenordnung von einigen Zenitmetern, beispielsweise 7 cm × 12 cm. In der Mitte ist jedes Blech 20 mit ausgeformten Strukturelementen 21 versehen, wobei bei der gezeigten Ausführung eine Rippung vorgesehen ist, sodass auf beiden Blechseiten parallel zueinander verlaufenen Erhebungen und Vertiefungen ausgeformt sind. Die ausgeformten Strukturelemente 21 nehmen etwa 25% bis 40% der Blechfläche ein. An ihren an den Längsseiten befindlichen, von den ausgeformten Strukturelementen 21 freien Abschnitten ist jedes Blech 20 mit jeweils drei Öffnungen 22a, 22b, 22c versehen. Die mittlere Öffnung 22b ist gegenüber den benachbarten Öffnungen 22a, 22c etwas nach außen versetzt angeordnet. Wie weiter unten anhand der 3 und 4 beschrieben wird, wird eine Anzahl von Blechen 20 zu einer Baueinheit zusammengefügt. Die Öffnungen 22a, 22b, 22c dienen dabei der gezielten Zu- und Abführung der am Prozess gemäß 1 beteiligten Medien. In jedem Blech 20 ist daher eine bestimmte Öffnung 22a, 22b, 22c an der einen Seite der ausgeformten Strukturelemente 21 als Zuleitung und eine bestimmte Öffnung 22a, 22b, 22c an der anderen Seite der ausgeformten Strukturelemente 21 als Ableitung des zwischen ausgeformten Strukturelementen 21 benachbarter Bleche 20 geleiteten bzw. strömenden Mediums vorgesehen. Für ein definiertes Ein- und Ausströmen von, wie noch beschrieben wird, zwischen zwei Blechen 20 zu- oder abgeführten Medien, ist es erforderlich, bestimmte Öffnungen 22a, 22b, 22c zu „verschließen", was auf einfache Weise durch Ringdichtungen 18 erreicht wird, die zwischen benachbarten Blechen 20 um die betreffenden, miteinander fluchtenden Öffnungen positioniert werden.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Baueinheit aus zehn aufeinander gestapelten Blechen 20, welche insgesamt die Komponenten Verdampferbrenner 1b mit Verdampfer 1c, Reformerbrenner 2b mit Reformer 2c und die Wärmeübertrager 3, 4 bilden. 4 zeigt diese Bleche 20 in einer Explosionsdarstellung. Zwischen den aufeinandergestapelten Blechen 20 verlaufen Randdichtungen 17, die einen solchen Abstand zwischen den Blechen 20 einstellen, dass die ausgeformten Strukturelementen 21 von jeweils zwei der aufeinander gestapelten Bleche 20 miteinander in Kontakt sind. Die Randdichtungen 17 bilden somit einen Höhenausgleich zwischen den ausgeformten Strukturelementen 21 und ermöglichen das Aufeinanderstapeln mehrerer Bleche 20. Die aufeinandergestapelten Bleche 20 bilden mittels der ausgeformten Strukturelemente 21, die maßgeblich zur Stabilität der Bleche 20 beitragen, Strömungsräume zwischen den Blechen 20 aus. Zwischen den in 4 und 5 unteren fünf Blechen 20 bilden diese Strömungswege die Strömungsräume 3a, 3b, 4a, 4b der Wärmeübertrager 3, 4. Die Randdichtungen 17 geben durch einen speziellen Zuschnitt auf jeweils eine der Öffnungen 22a, 22b, 22c die Zu- und Ablaufwege vor. Nicht beteiligte Öffnungen 22a, 22b, 22c sind von der Randdichtung 17 umlaufen.
  • Zwischen dem in 4 ersten (obersten) Blech 20 und dem zweiten Blech 20 ist der Brennraum des Verdampferbrenners 1b gebildet. Die den Brennraum begrenzenden ausgeformten Strukturelemente 21 zumindest eines dieser Bleche 20 ist mit einem Katalysator beschichtet, um die Verbrennung des zugeführten brennbaren Gasgemisches 11b (Pfeil 11b) zu bewirken. Bei der gezeigten Ausführung wird das Gasgemisch 11b durch die Öffnung 22c im rückwärtigen Abschnitt des ersten Bleches 20 zugeführt. An der katalytisch beschichteten Fläche 21 findet die erwünschte Reaktion statt, das gebildete Abgas 13 (Pfeil 13 in 4) verlässt den Verdampferbrenner 1b durch die Öffnung 22a im vorderen Abschnitt des Bleches 20 und wird durch drei weitere Bleche 20 durch miteinander fluchtenden Öffnungen 22a weitergeleitet. Der Brennstoff 16 aus Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen und Wasser wird durch die Öffnungen 22c in den rückwärtigen Abschnitten des ersten und des zweiten Bleches 20 in den Verdampfungsraum des Verdampfers 1c zwischen dem zweiten und dem dritten Blech 20 geleitet. Hier wird die Wärmeübertragung der Wärme der katalytischen Verbrennung im Verdampferbrenner 1b genützt. Das Gemisch 12 aus dem Verdampfer 1c verlässt dieses Blech 20 durch die Öffnung 22c im vorderen Abschnitt des dritten Bleches 20 und wird durch die deckungsgleich angeordnete Öffnung 22c in des darunter befindlichen vierten Bleches 20 in den Reformerraum des Reformers 2c, welcher sich zwischen dem vierten und dem fünften Blech 20, befindet, geleitet. Zwischen dem dritten und dem vierten Blech 20 wird der Verbrennungsraum des Reformerbrenners 2b gebildet, wobei zumindest die ausgeformten Strukturelemente 21 eines der beiden, den Verbrennungsraum begrenzenden Bleche 20 katalytisch beschichtet ist. Dem Verbrennungsraum des Reformerbrenners 2b wird durch die miteinander fluchtenden Öffnungen 22b in den rückwärtigen Abschnitten des ersten bis dritten Bleches 20 das brennbare Gasgemisch 11a zugeführt und verbrannt. Zumindest eines der den Reformerraum begrenzenden Bleche 20 weist eine katalytische Beschichtung der ausgeformten Strukturelemente 21 zur Unterstützung der Reformierung auf, sodass das Brenngas, das Reformat 14, gebildet wird. Das Abgas aus dem Verbrennungsraum des Reformerbrenners 2b wird mit dem Abgas aus dem Verdampfer 1c zusammengeführt und mit diesem als Abgas 13, wie oben anhand der 1 bereits beschrieben, weitergeleitet. Das Reformat 14 (siehe Pfeil 14 in 4) verlässt den Reformerraum über die Öffnung 22c im rückwärtigen Abschnitt des fünften Bleches 20 und wird dem Wärmeübertrager 4 zugeleitet. Das Abgas 13 tritt in den Strömungsraum 3a zwischen fünftem und sechstem Blech 20. in dem darunter befindlichen, zwischen sechstem und siebentem Blech 20 gebildeten Strömungsraum 3b wird die Kathodenluft 15, durch sämtliche Öffnungen 22b an den vorderen Abschnitten der darüber befindlichen Bleche 20, geleitet. Hier findet die Wärmeübertragung vom Abgas 13 an die Luft 15 statt. Nach dem Verlassen des Strömungsraumes 3b über die Öffnung 22c im rückwärtigen Abschnitt des siebenten Bleches 20 wird die erwärmte Luft 15 durch einen zusätzlichen Strömungsraum 3c zwischen siebentem und achtem Blech 20 und durch die miteinander fluchtenden Öffnungen 22b in den vorderen Abschnitten des achten bis zehnten Bleches 20 zur Brennstoffzelle geleitet. Dem Strömungsraum 4a zwischen dem achten und dem neunten Blech 20 wird das Abgas 12 aus der Brennstoffzelle durch die Öffnungen 22a in den vorderen Abschnitten des achten und des neunten Bleches 20 zugeführt, welches Wärme an das zwischen dem neunten und dem zehnten Blech 20 zugeführte Reformat 14, welches die Öffnungen 22a in den rückwärtigen Abschnitten des fünften bis neunten Bleches 20 passiert hat, abgibt.
  • 5 zeigt einen Querschnitt durch drei aufeinandergestapelte Bleche 20 im Bereich der Löcher 22a. Zwischen dem ersten und dem zweiten Blech 20 ist ein Einströmen in den Raum zwischen den gerippten Flächen 21 zugelassen, zwischen dem zweiten und dem dritten Blech 20 verhindert ein eingelegter Dichtring 18 ein Einströmen von Medien in den zwischen diesen Blechen 20 gebildeten Raum. Zu sehen ist auch die entsprechend zugeschnittene Randdichtung 17.
  • Die Erfindung ist auf der dargestellten mit beschriebenen Ausführungsformen nicht eingeschränkt. Die in den Blechen 20 ausgeformte Struktur muss keine gerippte Struktur mit parallelen Kanälen sein sondern kann beliebige Strömungskanäle bilden. Um die vorgesehenen Strömungswege für die beteiligten Medien sicher zu stellen, können Öffnungen in den Blechen 20 auch weggelassen oder geschlossen werden.
  • Zur Übertragung der Spannkraft der Brenngaserzeugungseinheit sind, die Öffnungen 22a, 22b, 22c umlaufend, wechselseitig Erhebungen/Vertiefungen 19 in den Blechen 20 ausgeformt.
  • Pro Prozessstufe können durch eine entsprechende Anzahl von Blechen mehrere Räume zur Verfügung stehen, beispielsweise mehrere Reformerräume.
    • 1b
    Verdampferbrenner
    1c
    Verdampfer
    2b
    Reformerbrenner
    2c
    Reformer
    3
    Wärmeübertrager
    3a
    Strömungsraum
    3b
    Strömungsraum
    4
    Wärmeübertrager
    4a
    Strömungsraum
    4b
    Strömungsraum
    5
    Brennstoffzelle
    5a
    Anode
    5b
    Kathode
    7a
    elektrische Heizung
    7b
    elektrische Heizung
    8
    Dosierpumpe
    9
    Tank
    10
    Dosiereinheit
    10a
    Luft
    10b
    erwärmte Luft
    11
    Abgas der Brennstoffzelle
    11a
    brennbares Gasgemisch
    11b
    brennbares Gasgemisch
    12
    Gemisch aus dem Verdampfer
    13
    Abgas der katalytischen Brenner
    14
    wasserstoffreiches Gas (Reformat)
    15
    Luft
    16
    Brennstoff
    17
    Randdichtung
    18
    Ringdichtung
    19
    Erhebungen/Vertiefungen
    20
    Blech
    21
    ausgeformte Strukturelemente
    22a
    Öffnung
    22b
    Öffnung
    22c
    Öffnung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - DE 1020604259 A [0006]

Claims (21)

  1. Verfahren zur thermischen Integration eines Brennstoffzellensystems, welches zur Erzeugung von Strom aus einem Brennstoff aus flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen vorgesehen ist und in welchem eine Verdampfung des Brennstoffes, eine Reformierung des bei der Verdampfung entstehenden Gasgemisches und Wärmeübertragung stattfinden, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Baueinheit aus gleichartigen, aufeinander gestapelten und zum Teil katalytisch beschichteten Wärmeübertragerblechen (20), welche Strömungsräume bilden, mittels eines Systems von in den Blechen (20) ausgebildeten Einlass- und Auslassöffnungen (22a, 22b, 22c) Abgase (11) der Brennstoffzelle(n) zur Temperierung des Reformats (14) und in Verbrennungsprozessen zur Verdampfung des Brennstoffes und zur Unterstützung der Reformierung des bei der Verdampfung entstehenden Gasgemisches verwendet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Verbrennungsprozessen entstehenden Abgase (13) durch Wärmeübertragung zum Vorwärmen der kathodenseitig zuzuführenden Luft (15) genutzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsräume zwischen den Blechen (20) von ausgeformten Strukturelementen (21) der Bleche (20) gebildet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgeformten Strukturelemente (21) eine Rippenstruktur bilden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsprozesse jeweils in den Strömungsräumen zwischen zwei Blechen (20) stattfinden, wobei zumindest eines dieser Bleche (20) katalytisch beschichtet ist, und wobei die entstehende Wärme in einen benachbarten Strömungsraum übertragen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierung des bei der Verdampfung entstehenden Gasgemisches in einem Strömungsraum stattfindet, in welchen die Wärme eines der Verbrennungsprozesse übertragen wird und welcher von einem Blech (20) begrenzt ist, welches mit einer die Reformierung unterstützenden katalytischen Beschichtung versehen ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System aus Einlass- und Auslassöffnungen (22a, 22b, 22c) in den Blechen (20) die beteiligten Medien ausschließlich durch die Bleche (20) und die Strömungsräume zwischen den Blechen (20) leitet.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungswege der beteiligten Medien innerhalb der Baueinheit durch bestimmte Einlass- und Auslassöffnungen (22a, 22b, 22c) hindurch mittels gezieltem Abdichten anderer Einlass- und Auslassöffnungen (22a, 22b, 22c) vorgegeben werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungswege der beteiligten Medien innerhalb der Baueinheit durch bestimmte Einlass- und Auslassöffnungen (22a, 22b, 22c) hindurch durch definiertes Anordnen von Einlass- und Auslassöffnungen (22a, 22b, 22c) vorgegeben werden.
  10. Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Strom aus flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen, mit zumindest einem Verdampfer (1c) mit Verdampferbrenner (1b), zumindest einem Reformer (2c) mit Reformerbrenner (2b), Wärmeübertragern (3, 4) und zumindest einer Brennstoffzelle (5), dadurch gekennzeichnet, dass eine Baueinheit aus gleichartigen, strukturierten und zum Teil katalytisch beschichteten, aufeinander gestapelten Blechen (20) vorgesehen ist, die als Wärmeübertrager wirken und zwischen sich Strömungsräume, zumindest einen Reformer-Reaktionsraum und zumindest einen Verdampferraum einschließen, wobei die Bleche (20) mit einem System von Einlass- und Auslassöffnungen (22a, 22b, 22c) versehen sind, welche innerhalb der Baueinheit ein gezieltes Zu- und Ableiten der beteiligten Medien in und aus bestimmte(n) Strömungsräumen(n) gestatten.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche (20) in ihrem mittleren Bereich zu beiden Seiten ausgeformte Strukturelemente (21) aufweisen, wobei zwischen den Strukturelementen (21) von aufeinander gestapelten Blechen (20) die Strömungsräume gebildet sind.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der einen Reformer-Reaktionsraum begrenzenden Bleche (20) eine die Reformierung unterstützende katalytische Beschichtung aufweist.
  13. Brennstoffzellensystem nach einem der Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Strömungsräume, welche Verbrennungsräume für Gasgemische sind, zumindest einseitig von einem mit einer katalytischen Beschichtung versehenen Blech (20) begrenzt sind.
  14. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf Strömungsräume (3b, 4b) aus benachbarten Strömungsräumen über das in letzteren fließende Medium Wärme übertragen wird.
  15. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System aus Einlass- und Auslassöffnungen (22a, 22b, 22c), in einander benachbarten Blechen (20) betrachtet, miteinander fluchtende Öffnungen aufweist.
  16. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung der beteiligten Medien innerhalb der Baueinheit einzelne Öffnungen (22a, 22b, 22c) gegenüber anderen Öffnungen (22a, 22b, 22c) verschlossen sind.
  17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (22a, 22b, 22c) durch eingelegte Dichtringe (18) für Medien aus definierten Strömungsräumen unzugänglich sind.
  18. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung der beteiligten Medien innerhalb der Baueinheit in den Blechen (20) lediglich die zu durchströmenden Öffnungen (22a, 22b, 22c) ausgebildet sind.
  19. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den aufeinander gestapelten Blechen (20) jeweils eine Randdichtung (17) eingebracht ist, welche den jeweiligen Strömungsraum umschließt.
  20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Randdichtung (17) auch die als unzugänglich vorgesehenen Öffnungen (22a, 22b, 22c) umschließt.
  21. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur gegenseitigen Abstützung aufeinander gesetzter Bleche (20) in den Blechen (20) ausgeformte, die Öffnungen (22a, 22b, 22c) umlaufende Erhebungen/Vertiefungen (19) vorgesehen sind.
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