DE102012016561B4 - Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem sowie Verwendung desselben - Google Patents

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Abstract

Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) mit:- einer Brennstoffzelle (13),- einer Brennstoffquelle (14),- einem Reaktor (1) zum Reformieren von Brennstoff aus der Brennstoffquelle (14) zu einem Wasserstoff enthaltenden Gas,- einer Zufuhreinheit (15) mit einem Brennstoffeingang (16), einem Oxidationsmitteleingang (17), einem Brennstoffausgang (18), einem Oxidationsmittelausgang (19) und einem Ozongenerator (20), der mit dem Oxidationsmitteleingang (17) und dem Oxidationsmittelausgang (19) verbunden ist, wobei die Zufuhreinheit (15) dazu eingerichtet ist,a) im Betrieb des Reaktors (1), einen Brennstoff über den Brennstoffausgang (18) und gleichzeitig ein erstes Oxidationsmittel über den Oxidationsmittelausgang (19) in den Reaktor (1) zu leiten, undb) in der Regenerationsphase des Reaktors (1), ein zweites Oxidationsmittel über den Oxidationsmittelausgang (19) in den Reaktor (1) zu leiten, und- einer Oxidationsmitteleinrichtung (21), die mit dem Oxidationsmitteleingang (17) der Zufuhreinheit (15) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, das Oxidationsmittel bereitzustellen, wobei der Reaktor (1) zum Erzeugen des Wasserstoff enthaltenden Gases ausgebildet ist und einen Brennstoffeingang (2), einen separaten Oxidationsmitteleingang (3), einen Ausgang für das Wasserstoff enthaltende Gas (4) und eine Katalysatoreinheit (5) aufweist,wobei die Katalysatoreinheit (5) aufweist:- eine im Betrieb des Reaktors (1) mit dem Brennstoff und dem ersten Oxidationsmittel beaufschlagte Einströmseite (6) und eine Ausströmseite (7), aus der im Betrieb des Reaktors (1) das Wasserstoff enthaltende Gas ausströmt,- mindestens einen Einlasskanal (8), der an der Einströmseite (6) offen und an der Ausströmseite (7) geschlossen ist, und- mindestens einen Auslasskanal (9), der an der Einströmseite (6) geschlossen und an der Ausströmseite (7) offen ist, wobei der Einlasskanal (8) und der Auslasskanal (9) durch eine gasdurchlässige, poröse Wandung (10) voneinander getrennt sind, undwobei die gasdurchlässige, poröse Wandung mit einem Katalysator beschichtet ist, der die Umwandlung des Brennstoffs zu dem Wasserstoff enthaltenden Gas katalysiert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Luftfahrzeug, das einen zur Verwendung an Bord eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, vorgesehenen Reaktor zum Erzeugen eines Wasserstoff enthaltenden Gases enthält. Offenbart wird insbesondere auch ein Wabenkatalysator für die Erzeugung von Wasserstoff in einem Luftfahrzeug.
  • Brennstoffzellensysteme ermöglichen es, emissionsarm und mit einem hohen Wirkungsgrad elektrischen Strom zu erzeugen. Daher gibt es gegenwärtig auch im Flugzeugbau Bestrebungen, Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung der an Bord einen Flugzeugs benötigten elektrischen Energie heranzuziehen. Beispielsweise ist es denkbar, die zur Bordstromerzeugung eingesetzten, von Haupttriebwerken oder einer Hilfsturbine angetriebenen Generatoren durch ein Brennstoffzellensystem zumindest teilweise zu ersetzen. Darüber hinaus können Brennstoffzellensysteme auch zur Notstromversorgung des Flugzeugs verwendet werden. Brennstoffzellen umfassen üblicherweise einen Kathodenbereich sowie einen durch einen Elektrolyt von dem Kathodenbereich getrennten Anodenbereich. Im Betrieb wird bei Brennstoffzellen mit einer Protonen-Austausch-Membran (auch als „Proton Exchange Membrane“ oder „Polymer-Elektrolyt-Membrane“, PEM bekannt) der Anode der Brennstoffzelle ein Reduktionsmittel, üblicherweise Wasserstoff, und der Kathode der Brennstoffzelle ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, zugeführt. An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Wasserstoffionen oxidiert. Diese gelangen durch den Elektrolyten in den Kathodenbereich, wo sie mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff sowie dem über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleiteten Elektronen zu Wasser reagieren. PEM-Brennstoffzellen weisen Betriebstemperaturen von bis zu 100°C auf. Bei Festoxidbrennstoffzellen („Solid Oxide Fuel Cell“, SOFC) wird ein Elektrolyt aus einem festen keramischen Werkstoff verwendet, der in der Lage ist, negativ geladene Sauerstoffionen von der Kathode zu der Anode zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. Die elektrochemische Oxidation der Sauerstoffionen mit Wasserstoff oder Kohlenmonoxid findet daher an der Anodenseite statt. Die Betriebstemperatur von Festoxidbrennstoffzellen liegt in einem Bereich von 500°C bis 1.000°C.
  • Der zum Betreiben einer Brennstoffzelle an Bord des Luftfahrzeugs eingesetzte Wasserstoff wird entweder direkt aus einem Tank bezogen oder indirekt in einem Reaktor, auch Reformer genannt, aus einem Brennstoff katalytisch erzeugt. Der in Luftfahrzeugen zur Erzeugung von Wasserstoff im Reforming-Prozess verwendete Brennstoff ist Kerosin. Kerosine sind Luftfahrtbetriebsstoffe unterschiedlicher Spezifikationen, die vorwiegend als Flugturbinenkraftstoffe verwendet werden. Kerosin wird den obersten Kolonnenböden des Mitteldestillats der Erdölrektifikation entnommen. Die Hauptbestandteile des Kerosins sind Alkane, Cycloalkane und aromatische Kohlenwasserstoffe mit etwa 8-17 Kohlenstoffatomen pro Molekül. In der zivilen Luftfahrt wird ausschließlich ein Kerosin mit der Spezifikation Jet A-1 als Flugturbinenkraftstoff verwendet. Obwohl Kerosin ein enger Fraktionierschnitt aus dem leichten Mitteldestillat der Erdölraffination ist, handelt es sich hierbei immer noch um ein Gemisch von zahlreichen Kohlenwasserstoffen, wobei die Anzahl der im Gemisch enthaltenen Verbindungen durch die Zugabe von funktionalen Additiven zur Erreichung der jeweiligen Spezifikation noch erhöht wird.
  • Bei der katalytischen Erzeugung von Wasserstoff aus Kerosin kann sich aufgrund einer unvollständigen chemischen Umsetzung Koks auf der Oberfläche eines Katalysators in dem Reformer ansammeln. Bei diesem auch als Verkokung oder Vergiftung bezeichneten Vorgang wird die aktive Oberfläche des Reformer-Katalysators verringert, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Reformers führt. Ein weiteres Problem bei Verwendung von herkömmlichen Reformern besteht darin, dass bei der katalytischen Erzeugung von Wasserstoff Rußpartikel gebildet werden, die zusammen mit dem Wasserstoff enthaltenden Gas (Reformat) in die Brennstoffzelle gelangen und dort als Verunreinigungen den Betrieb der Brennstoffzelle beeinträchtigen können. Insbesondere PEM-Brennstoffzellen stellen aufgrund der darin vorhandenen Edelmetall-Katalysatoren wie Platin oder Platinlegierungen, mit denen die Membran beschichtet ist, hohe Anforderungen an die Reinheit des Wasserstoff enthaltenden Gases.
  • Eine Kraftstoffreformiervorrichtung mit einem Reformierkatalysator, der Kohlenwasserstoffkraftstoff enthaltendes Ausgangsgas in ein wasserstoffhaltiges Reformatgas reformiert, wird in der DE 101 30 945 B4 beschrieben. Die Kraftstoffreformiervorrichtung soll Ruß einfangen, der aus Kohlenstoff in einem Kohlenwasserstoffkraftstoff erzeugt wird. In der DE 101 30 945 B4 wird ein Reformierabschnitt mit einem Wabenfilter beschrieben. Ferner wird beschrieben, eingefangenen Ruß mit Hilfe einer Erhöhung des Luftanteils im Ausgangsgas zu entfernen, ohne dass der Betrieb der Vorrichtung unterbrochen werden muss.
  • In der DE 10 2006 046 006 B4 wird ein Reformer beschrieben, wobei einer Reformierungszone zusätzlich ein NO2-haltiges Gasgemisch zugeführt werden kann.
  • Ein Brennstoffzellensystem, welches einen Reformer zum Erzeugen eines Wasserstoffgas enthaltenden Anodengases aus einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator wird in der DE 10 2006 057 357 A1 beschrieben. Hierbei weist das Brennstoffzellensystem eine Regenerationseinrichtung zum Fördern eines Sauerstoffgas enthaltenden Oxidatorgases durch den Reformer entgegen einer während des Normalbetriebs vorliegenden Strömungsrichtung auf.
  • In der US 6 680 044 B1 werden Reaktoren und Verfahren zur Durchführung katalytischer Reaktionen beschrieben. Auch ein Verfahren zum Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen wird beschrieben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, in dem die Lebensdauer des Reaktors verlängert ist und keine Verunreinigung der Brennstoffzelle durch im Reaktor gebildete Rußpartikeln auftritt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem, wie in den Ansprüchen definiert, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
  • Die vorliegende Erfindung sieht insbesondere einen Reaktor zum Erzeugen eines Wasserstoff enthaltenden Gases vor, der zugleich als Partikelfilter für die im Reaktor gebildeten partikulären Verunreinigungen wie Rußpartikel fungiert. Des Weiteren ermöglicht der erfindungsgemäß vorgesehene Reaktor ein Entfernen der partikulären Verunreinigung und gegebenenfalls anderer auf dem Katalysator abgelagerter Verunreinigungen, wie Koks oder Schwefel-Verunreinigungen, durch Oxidation. Der erfindungsgemäß vorgesehene Reaktor weist einen Brennstoffeingang, einen Oxidationsmitteleingang, einen Ausgang für das Wasserstoff enthaltende Gas und eine Katalysatoreinheit auf. Die Katalysatoreinheit wiederum ist dadurch gekennzeichnet, dass sie im Betrieb des Reaktors, d.h. während der Erzeugung des Wasserstoff enthaltenden Gases, eine mit dem Brennstoff und gegebenenfalls einem Oxidationsmittel beaufschlagte Einströmseite aufweist, sowie eine Ausströmseite, aus der das Wasserstoff enthaltende Gas ausströmt. Des Weiteren weist die Katalysatoreinheit mindestens einen Einlasskanal und mindestens einen Auslasskanal auf. Während der Einlasskanal an der Einströmseite offen und an der Ausströmseite geschlossen ist, zeichnet sich der Auslasskanal dadurch aus, dass er an der Einströmseite geschlossen und an der Ausströmseite offen ist. Der Einlasskanal und der Auslasskanal sind durch eine gasdurchlässige, poröse Wandung voneinander getrennt, wobei diese Wandung mit einem Katalysator beschichtet ist, der die Umwandlung des Brennstoffs zu dem Wasserstoff enthaltenden Gas katalysiert. Im Betrieb des Reaktors strömen somit der Brennstoff und gegebenenfalls ein Oxidationsmittel durch den Einlasskanal. An der gasdurchlässigen, porösen Wandung wird aus dem Brennstoff und dem gegebenenfalls vorhandenen Oxidationsmittel ein Wasserstoff enthaltendes Gas erzeugt, das durch die Wandung in den Auslasskanal übertritt und anschließend den Reaktor über den Ausgang für das Wasserstoff enthaltende Gas verlässt. Nicht-gasförmige Verunreinigungen des Wasserstoff enthaltenden Gases, insbesondere Rußpartikel, werden an der gasdurchlässigen, porösen Wandung zurückgehalten, sie fungiert somit als Filter für partikuläre Verunreinigungen.
  • Für die Erzeugung des Wasserstoff enthaltenden Gases im Reaktor durch Reformieren sind verschiedene Verfahren einsetzbar. Der erfindungsgemäß vorgesehene Reaktor ist dazu ausgebildet, eine Dampfreformierung, autotherme Dampfreformierung oder katalytische partielle Oxidation durchzuführen. Diese Reformierungsverfahren werden vorzugsweise bei einer Reaktionstemperatur im Bereich von 500°C bis 1.000°C, mehr bevorzugt 600°C bis 700°C, und bei einem Reaktionsdruck im Bereich von 10 bar bis 25 bar durchgeführt. Bei den vorstehend genannten Verfahren entsteht aus dem Brennstoff Synthesegas, da die Reformierung in Anwesenheit eines Oxidationsmittels, nämlich Wasser, Sauerstoff, Luft oder Gemischen davon durchgeführt wird. Eine Alternative zu diesen Verfahren ist die Erzeugung von Wasserstoffgas durch eine partielle Dehydrierung. Bei der partiellen Dehydrierung entsteht kein Synthesegas, da kein Oxidationsmittel im Reaktionsgemisch vorhanden ist. Stattdessen entsteht beim Reformieren des Brennstoffs ein dehydrierter Restbrennstoff, der zusammen mit dem Wasserstoff als gasförmiges Reformat durch die gasdurchlässige, poröse Wandung durchtritt und nach Verlassen des Reaktors mittels einer geeigneten Kondensationsvorrichtung, wie sie z.B. in DE 10 2005 044 926 B3 beschrieben abgetrennt werden muss. Die partielle Dehydrierung wird üblicherweise bei einer Reaktionstemperatur größer als 300°C, beispielsweise in einem Bereich von 350°C bis 500°C, bevorzugt in einem Bereich von 400°C bis 450°C durchgeführt. Der Reaktionsdruck liegt üblicherweise im Bereich von 8 bar bis 25 bar, vorzugsweise 10 bar bis 20 bar und mehr bevorzugt im Bereich von 12 bar bis 15 bar.
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das den erfindungsgemäßen Reaktor als Komponente enthält. Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem gemäß vorliegender Erfindung eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffquelle, eine Zufuhreinheit mit einem Brennstoffeingang, einem Oxidationsmitteleingang, einem Brennstoffausgang und einem Oxidationsmittelausgang, sowie eine Oxidationsmitteleinrichtung. Die Oxidationsmitteleinrichtung ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Zapflufteinrichtung und dazu eingerichtet, als Oxidationsmittel Zapfluft bereitzustellen. Alternativ kann die Oxidationsmitteleinrichtung ein Wassertank oder Sauerstofftank sein.
  • Erfindungsgemäß weist die Zufuhreinheit einen Ozongenerator auf, der mit dem Oxidationsmitteleingang und dem Oxidationsmittelausgang der Zufuhreinheit verbunden ist.
  • Das Oxidationsmittel, das aus der Zufuhreinheit abgegeben und dem Reaktor zugeführt wird, dient zum einen dazu, dem Reaktor ein Oxidationsmittel für die Erzeugung eines Wasserstoff enthaltenden Gases zur Verfügung zu stellen, falls der Reaktor dazu ausgebildet ist, eine Dampfreformierung, autotherme Dampfreformierung oder partielle Oxidation durchzuführen. Bei diesen Verfahren ist für das Betreiben des Reaktors ein Oxidationsmittel notwendig, das aus Wasser, Sauerstoff, Luft und Gemischen davon ausgewählt ist.
  • Zum anderen ist die Zufuhreinheit dazu eingerichtet, dem Reaktor ein Oxidationsmittel zuzuführen, um die Ansammlungen von Verunreinigungen in Form von Koks oder Schwefel an dem Katalysator des Reaktors und die aus dem Reformat abfiltrierten partikulären Verunreinigungen, insbesondere Rußpartikel, durch Oxidation zu entfernen. In einer ersten Ausführungsform handelt es sich bei dem für die Regeneration des Katalysators verwendeten Oxidationsmittel um das gleiche Oxidationsmittel, wie es für das Betreiben des Reaktors eingesetzt wird, vorzugsweise um Sauerstoff, Luft oder Gemische davon, besonders bevorzugt um Zapfluft. In einer zweiten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Regenerationsphase des Reaktors verwendeten Oxidationsmittel um ein anderes Oxidationsmittel als das für das Betreiben des Reaktors eingesetzte, wobei dieses zweite Oxidationsmittel aus Sauerstoff, Luft und Ozon ausgewählt ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem ersten, für das Betreiben des Reaktors verwendeten Oxidationsmittel um Zapfluft und bei dem zweiten, für die Regeneration des Katalysators verwendeten Oxidationsmittel um Ozon. Das Ozon wird in einem Ozongenerator aus Sauerstoff, Luft, z.B. Zapfluft, oder Gemischen davon, wobei diese Ausgangsmaterialien von der Oxidationsmitteleinrichtung zur Verfügung gestellt werden, erzeugt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Oxidationsmitteleinrichtung eine Zapflufteinrichtung und dazu eingerichtet, als Oxidationsmittel Zapfluft aus einem ersten Zapfluftanschluss des Triebwerks mit einer Temperatur von mindestens 250°C bereitzustellen. Da ein Triebwerk eines Luftfahrzeugs mehrere Verdichterstufen aufweisen kann, können unterschiedliche Zapfluftanschlüsse vorgesehen sein, aus denen verdichtete Luft mit unterschiedlichen Drücken und Temperaturen entnehmbar sind. Bei gängigen Turboluftstrahltriebwerken werden Zapfluftanschlüsse eingesetzt, die Zapfluft mit einer Temperatur zwischen 250°C und 600°C bereitstellen. Eine niedrige Temperatur, beispielsweise 250°C oder weniger, führt ebenfalls zum Abbrennen von Koks, Schwefel und Rußpartikeln im Reaktor, wofür zwar ein größerer Zeitraum benötigt wird, aber den Einsatz hitzeempfindlicher Katalysatoren ermöglicht.
  • In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zapflufteinrichtung dazu eingerichtet, als Oxidationsmittel Zapfluft aus einem zweiten Zapfluftanschluss des Triebwerks mit einer Temperatur von mindestens 400°C bereitzustellen. Dies entspricht einem Zapfluftanschluss, der in einer höheren Verdichterstufe angeordnet ist und damit Luft mit einem höheren Druck und einer höheren Temperatur bereitstellt. Je höher die Temperatur ist, desto zügiger geht das Abbrennen von Koks, Schwefel und Rußpartikeln vonstatten, wobei die Verwendbarkeit dieser relativ hohen Temperatur davon abhängig ist, welche Art Reformer bzw. Katalysator eingesetzt wird. Es eignen sich prinzipiell folgende Katalysatoren bzw. Reformer: Pt- und Pd-haltige Katalysatoren für die partielle Dehydrierung, partielle Oxidation, Dampfreformierung oder autotherme Dampfreformierung.
  • Die Regeneration des Katalysators, d.h. das Abbrennen von Koks, Schwefel und partikulären Verunreinigungen wie Rußpartikel, erfolgt üblicherweise bei Temperaturen im Bereich von 500°C bis 1.000°C, falls das Oxidationsmittel Luft, Sauerstoff oder ein Gemisch davon ist. Bei Verwendung von Ozon als Oxidationsmittel für die Regeneration des Katalysators kann die Regeneration aufgrund der höheren Reaktivität des Ozons bei Temperaturen unterhalb von 500°C durchgeführt werden, vorzugsweise bei 50°C bis 400°C. Sollte Zapfluft für die Erzeugung von Ozon im Ozongenerator verwendet werden, ist es vorteilhaft, stromaufwärts des Oxidationsmitteleingangs der Zufuhreinheit einen Zapfluftkühler zum Kühlen von Zapfluft anzuordnen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein Ozongenerator mit Zapfluft versorgt wird, der höhere Temperaturen nicht dauerhaft unbeschadet überstehen kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Zufuhreinheit ein Brennstoffventil und ein Oxidationsmittelventil auf. Mit dem Begriff des Oxidationsmittelventils wird eine unterbrechende Vorrichtung innerhalb der Zufuhreinheit bezeichnet, die ein Beaufschlagen des Reaktors mit dem Oxidationsmittel herstellt oder unterbricht. Das Brennstoffventil ist dazu vorgesehen, den Brennstoffzufluss zu dem Reaktor zu unterbinden, wenn eine Regeneration mit dem Oxidationsmittel durchgeführt wird.
  • Bei der Regeneration des Katalysators entstehen im Reaktor gasförmige Oxidationsprodukte, wie Kohlenstoffdioxid und Schwefeloxide. Diese gasförmigen Oxidationsprodukte treten durch die gasdurchlässige, poröse Wandung hindurch und verlassen den Reaktor über den Auslasskanal und den Ausgang für das Wasserstoff enthaltende Gas. Um die Brennstoffzelle vor diesen Abgasen zu schützen, ist in einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems eine Abfuhreinheit vorgesehen, die zwischen dem Reaktor und der Brennstoffzelle angeordnet ist. Die Abfuhreinheit weist einen Eingang für die den Reaktor verlassenden Gase, d.h. Reformat oder Abgas, auf sowie einen Ausgang für das Wasserstoff enthaltende Gas und einen Abgasauslass. Die Abfuhreinheit weist ein Ausgangsventil auf, welches selektiv entweder einen Eingang der Brennstoffzelle für das Wasserstoff enthaltende Gas oder einen Abgasauslass mit dem Reaktor verbindet.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems umfasst das Brennstoffzellensystem zwei Reaktoren, die nacheinander regeneriert werden, so dass stets ein Reaktor für die Erzeugung eines Wasserstoff enthaltenden Gases zur Verfügung steht.
    • 1 zeigt im Detail den Aufbau des Reaktors, wie er gemäß vorliegender Erfindung vorgesehen ist.
    • 2 zeigt eine Ausführungsform der Katalysatoreinheit in Draufsicht (Einströmseite).
    • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Katalysatoreinheit in Draufsicht (Einströmseite).
    • 4 zeigt ein zum Einsatz in einem Luftfahrzeug kommendes erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
  • 1 zeigt einen Reaktor (1), wie er gemäß vorliegender Erfindung vorgesehen ist. Der Reaktor weist einen Brennstoffeingang (2), einen Oxidationsmitteleingang (3), einen Ausgang für das Wasserstoff enthaltende Gas (4) und eine Katalysatoreinheit (5) auf, wobei die Katalysatoreinheit eine im Betrieb des Reaktors mit dem Brennstoff und gegebenenfalls einem Oxidationsmittel beaufschlagte Einströmseite (6) und eine Ausströmseite (7), aus der im Betrieb des Reaktors das Wasserstoff enthaltende Gas ausströmt, mindestens einen Einlasskanal (8), der an der Einströmseite offen und an der Ausströmseite geschlossen ist, und mindestens einen Auslasskanal (9), der an der Einströmseite geschlossen und an der Ausströmseite offen ist, aufweist. Der Einlasskanal (8) und der Auslasskanal (9) sind durch eine gasdurchlässige, poröse Wandung (10) voneinander getrennt. Die gasdurchlässige, poröse Wandung (10) ist mit einem Katalysator beschichtet, der die Umwandlung des Brennstoffs zu dem Wasserstoff enthaltenden Gas katalysiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weisen der Einlasskanal (8) und der Auslasskanal (9) einen rechteckigen Querschnitt auf, bevorzugt einen quadratischen Querschnitt. Des Weiteren sind die Einlasskanäle (8) und die Auslasskanäle (9) im Querschnitt der Katalysatoreinheit (5) vorzugsweise abwechselnd angeordnet. Die 2 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform für eine erfindungsgemäß vorgesehene Katalysatoreinheit (5), in der die Einlasskanäle (8) und Auslasskanäle (9) einen quadratischen Querschnitt aufweisen und abwechselnd angeordnet sind, in der nicht zwei Kanäle des gleichen Typs über eine Wandung miteinander in Kontakt stehen.
  • Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgesehenen Katalysatoreinheit (5) ist in der 3 gezeigt. In dieser Ausführungsform weisen die Einlasskanäle (8) und Auslasskanäle (9) einen sechseckigen Querschnitt auf. Außerdem sind die Einlasskanäle (8) und Auslasskanäle (9) im Querschnitt der Katalysatoreinheit (5) nicht abwechselnd angeordnet, da die Auslasskanäle (9) über eine Wandung (11) miteinander in Kontakt stehen. Bei der in der 3 gezeigten Ausführungsform der Katalysatoreinheit (5) kann es sich bei der Wandung (11) entweder um eine nichtgasdurchlässige Wandung handeln, oder um eine poröse Wandung, die für das Wasserstoff enthaltende Gas durchlässig ist. Da an der Wandung (11) keine Umwandlung des Brennstoffs zu dem Wasserstoff enthaltenden Gas auftritt, ist sie nicht mit einem Katalysator beschichtet. In einer alternativen Ausführungsform der in der 3 gezeigten Anordnung bilden die Einlasskanäle (8) einen hexagonalen Kranz um einen Auslasskanal (9). In dieser alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der Wandung (11) um eine gasdurchlässige, poröse Wandung, die ein Durchtreten des üblicherweise auf der Einströmseite (6) des Reaktors (1) gasförmig vorliegenden Brennstoffs und gegebenenfalls Oxidationsmittels erlaubt. Diese Ausführungsform der Katalysatoreinheit (5) ermöglicht eine Durchmischung des Brennstoffs und Oxidationsmittels. Das gegebenenfalls auf der Einströmseite (6) vorliegende inhomogene Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel wird beim Durchströmen der Wandung (11) homogenisiert, was für die Katalyse an der Wandung (10) vorteilhaft ist. In der Regenerationsphase des Reaktors (1), in der lediglich das Oxidationsmittel die Katalysatoreinheit (5) durchströmt, dienen die Wandungen (11) einer gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels über den Querschnitt der Katalysatoreinheit (5).
  • Vorzugsweise ist die Kanaldichte im Querschnitt der Katalysatoreinheit (5) 2-20/cm2, d.h. 2 bis 20 Kanäle pro Quadratzentimeter, mehr bevorzugt 5-10/cm2. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgesehenen Katalysatoreinheit (5) besteht diese aus einem keramischen Werkstoff.
  • Der Katalysator wird vorzugsweise als Washcoat auf die gasdurchlässige, poröse Wandung (10) aufgetragen. Bei dem Katalysator handelt es sich üblicherweise um einen Edelmetallkatalysator, wobei das Edelmetall vorzugsweise Platin, Palladium oder Rhodium ist. Außerdem können Gemische verschiedener Edelmetalle, wie z.B. eine Palladium/Platin-Legierung, als katalytisch aktive Komponente verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgesehenen Reaktors wird Platin als katalytische Komponente verwendet, das z.B. als Washcoat, in dem das Platin mit einer Konzentration von bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise 2-10 Gew.-%, mehr bevorzugt 5-10 Gew.-% enthalten ist, auf die Wandung (10) aufgetragen wurde.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgesehenen Reaktors (1) ist der Katalysator ein geträgerter Edelmetallkatalysator. Das Trägermaterial ist vorzugsweise aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Zinnoxid, Ceroxid, Siliciumoxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid, und Gemischen davon ausgewählt. Beispiele geeigneter Trägermaterialien sind Alumosilikat, vorzugsweise Zeolith, Magnesiumsilikat und Magnesiumaluminat.
  • Es wurde überraschenderweise gefunden, dass Vanadium(V)-oxid eine effektivere Regenerierung des Katalysators, d.h. eine effektivere Oxidation (Abbrennen) von partikulären Verunreinigungen, wie z.B. Rußpartikeln, erlaubt. Deshalb enthält der Katalysator des erfindungsgemäß vorgesehenen Reaktors (1) vorzugsweise Vanadium(V)-oxid. Die Anwesenheit von Vanadium(V)-oxid in der auf der gasdurchlässigen, porösen Wandung (10) aufgebrachten Katalysator-Beschichtung ermöglicht eine Regeneration des Katalysators schon bei Temperaturen unterhalb von 600°C selbst dann, wenn als Oxidationsmittel nicht Ozon eingesetzt wird.
  • Die 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem (12) mit einer Brennstoffzelle (13), einer Brennstoffquelle (14), einem Reaktor (1) zum Reformieren von Brennstoff aus dem Brennstofftank zu einem Wasserstoff enthaltenden Gas, einer Zufuhreinheit (15) mit einem Brennstoffeingang (16), einem Oxidationsmitteleingang (17), einem Brennstoffausgang (18), einem Oxidationsmittelausgang (19) und einem Ozongenerator (20), der mit dem Oxidationsmitteleingang (17) und dem Oxidationsmittelausgang (19) verbunden ist, und eine Oxidationsmitteleinrichtung (21), die mit dem Oxidationsmitteleingang (17) der Zufuhreinheit (15) verbunden und dazu eingerichtet ist, das Oxidationsmittel bereitzustellen.
  • Die Brennstoffquelle (14) ist mit dem Brennstoffeingang (16) der Zufuhreinheit (15) verbunden und dazu eingerichtet, den Brennstoff bereitzustellen. Die Brennstoffquelle (14) ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein Brennstofftank, der den Treibstoff für die Triebwerke des Luftfahrzeugs, d.h. Kerosin enthält. Alternativ kann die Brennstoffquelle (14) ein Brennstofftank sein, der nicht den Treibstoff für die Triebwerke enthält.
  • Die Zufuhreinheit (15) ist dazu eingerichtet, im Betrieb des Reaktors (1), einen Brennstoff über den Brennstoffausgang (18) und gegebenenfalls gleichzeitig ein erstes Oxidationsmittel über den Oxidationsmittelausgang (19) in den Reaktor (1) zu leiten. In der Regenerationsphase des Reaktors (1) leitet die Zufuhreinheit (15) ein zweites Oxidationsmittel über den Oxidationsmittelausgang (19) in den Reaktor (1). Vorzugsweise ist das erste Oxidationsmittel aus Wasser, Sauerstoff, Luft und Gemischen davon ausgewählt und das zweite Oxidationsmittel aus Sauerstoff, Luft und Ozon. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist die Oxidationsmitteleinrichtung (21) eine Zapflufteinrichtung.

Claims (14)

  1. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) mit: - einer Brennstoffzelle (13), - einer Brennstoffquelle (14), - einem Reaktor (1) zum Reformieren von Brennstoff aus der Brennstoffquelle (14) zu einem Wasserstoff enthaltenden Gas, - einer Zufuhreinheit (15) mit einem Brennstoffeingang (16), einem Oxidationsmitteleingang (17), einem Brennstoffausgang (18), einem Oxidationsmittelausgang (19) und einem Ozongenerator (20), der mit dem Oxidationsmitteleingang (17) und dem Oxidationsmittelausgang (19) verbunden ist, wobei die Zufuhreinheit (15) dazu eingerichtet ist, a) im Betrieb des Reaktors (1), einen Brennstoff über den Brennstoffausgang (18) und gleichzeitig ein erstes Oxidationsmittel über den Oxidationsmittelausgang (19) in den Reaktor (1) zu leiten, und b) in der Regenerationsphase des Reaktors (1), ein zweites Oxidationsmittel über den Oxidationsmittelausgang (19) in den Reaktor (1) zu leiten, und - einer Oxidationsmitteleinrichtung (21), die mit dem Oxidationsmitteleingang (17) der Zufuhreinheit (15) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, das Oxidationsmittel bereitzustellen, wobei der Reaktor (1) zum Erzeugen des Wasserstoff enthaltenden Gases ausgebildet ist und einen Brennstoffeingang (2), einen separaten Oxidationsmitteleingang (3), einen Ausgang für das Wasserstoff enthaltende Gas (4) und eine Katalysatoreinheit (5) aufweist, wobei die Katalysatoreinheit (5) aufweist: - eine im Betrieb des Reaktors (1) mit dem Brennstoff und dem ersten Oxidationsmittel beaufschlagte Einströmseite (6) und eine Ausströmseite (7), aus der im Betrieb des Reaktors (1) das Wasserstoff enthaltende Gas ausströmt, - mindestens einen Einlasskanal (8), der an der Einströmseite (6) offen und an der Ausströmseite (7) geschlossen ist, und - mindestens einen Auslasskanal (9), der an der Einströmseite (6) geschlossen und an der Ausströmseite (7) offen ist, wobei der Einlasskanal (8) und der Auslasskanal (9) durch eine gasdurchlässige, poröse Wandung (10) voneinander getrennt sind, und wobei die gasdurchlässige, poröse Wandung mit einem Katalysator beschichtet ist, der die Umwandlung des Brennstoffs zu dem Wasserstoff enthaltenden Gas katalysiert.
  2. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) mit: - einer Brennstoffzelle (13), - einer Brennstoffquelle (14), - einem Reaktor (1) zum Reformieren von Brennstoff aus der Brennstoffquelle (14) zu einem Wasserstoff enthaltenden Gas, - einer Zufuhreinheit (15) mit einem Brennstoffeingang (16), einem Oxidationsmitteleingang (17), einem Brennstoffausgang (18), einem Oxidationsmittelausgang (19) und einem Ozongenerator (20), der mit dem Oxidationsmitteleingang (17) und dem Oxidationsmittelausgang (19) verbunden ist, wobei die Zufuhreinheit (15) dazu eingerichtet ist, a) im Betrieb des Reaktors (1), einen Brennstoff über den Brennstoffausgang (18) in den Reaktor (1) zu leiten, und b) in der Regenerationsphase des Reaktors (1), ein Oxidationsmittel über den Oxidationsmittelausgang (19) in den Reaktor (1) zu leiten, und - einer Oxidationsmitteleinrichtung (21), die mit dem Oxidationsmitteleingang (17) der Zufuhreinheit (15) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, das Oxidationsmittel bereitzustellen oder bei Verwendung von Ozon als Oxidationsmittel, dazu eingerichtet ist, dem Ozongenerator (20) zur Ozonerzeugung Sauerstoff, Luft oder Gemische davon als Ausgangsmaterialien zur Verfügung zu stellen, wobei der Reaktor (1) zum Erzeugen des Wasserstoff enthaltenden Gases ausgebildet ist und einen Brennstoffeingang (2), einen separaten Oxidationsmitteleingang (3), einen Ausgang für das Wasserstoff enthaltende Gas (4) und eine Katalysatoreinheit (5) aufweist, wobei die Katalysatoreinheit (5) aufweist: - eine im Betrieb des Reaktors (1) mit dem Brennstoff beaufschlagte Einströmseite (6) und eine Ausströmseite (7), aus der im Betrieb des Reaktors (1) das Wasserstoff enthaltende Gas ausströmt, - mindestens einen Einlasskanal (8), der an der Einströmseite (6) offen und an der Ausströmseite (7) geschlossen ist, und - mindestens einen Auslasskanal (9), der an der Einströmseite (6) geschlossen und an der Ausströmseite (7) offen ist, wobei der Einlasskanal (8) und der Auslasskanal (9) durch eine gasdurchlässige, poröse Wandung (10) voneinander getrennt sind, und wobei die gasdurchlässige, poröse Wandung mit einem Katalysator beschichtet ist, der die Umwandlung des Brennstoffs zu dem Wasserstoff enthaltenden Gas katalysiert.
  3. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Einlasskanal (8) und der Auslasskanal (9) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
  4. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einlasskanäle (8) und Auslasskanäle (9) im Querschnitt der Katalysatoreinheit (5) abwechselnd angeordnet sind.
  5. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kanaldichte im Querschnitt der Katalysatoreinheit (5) 2-20/cm2, vorzugsweise 5-10/cm2 beträgt.
  6. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Katalysatoreinheit (5) aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist.
  7. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Katalysator ein geträgerter Edelmetallkatalysator ist.
  8. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 7, wobei das Trägermaterial aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Zinnoxid, Ceroxid, Siliciumoxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid, und Gemischen davon ausgewählt ist.
  9. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 8, wobei das Trägermaterial ein Alumosilikat, vorzugsweise Zeolith, Magnesiumsilikat oder Magnesiumaluminat ist.
  10. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Katalysator Vanadium(V)-oxid enthält.
  11. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Reaktor (1) dazu ausgebildet ist, eine Dampfreformierung, autotherme Dampfreformierung, partielle Oxidation oder partielle Dehydrierung durchzuführen.
  12. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 1 oder einem der vorstehenden und auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche, wobei das erste Oxidationsmittel aus Wasser, Sauerstoff, Luft und Gemischen davon ausgewählt ist, und wobei das zweite Oxidationsmittel aus Sauerstoff, Luft und Ozon ausgewählt ist.
  13. Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem (12) nach Anspruch 12, wobei die Oxidationsmitteleinrichtung (21) eine Zapflufteinrichtung ist.
  14. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Luftfahrzeug.
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