DE102015015826A1 - Electrochemical module reactor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Modulreaktor mit elektrochemischer Zelle, Reaktantzuführung und wenigstens einem Wärmeübertrager. Die Erfindung richtet sich ferner auf Verfahren zur Durchführung einer Elektrolyse oder einer Elektrosynthese oder zur Erzeugung eines elektrischen Stromflusses mittels eines entsprechenden Modulreaktors. Die Erfindung betrifft auch entsprechende mittels Elektrolyse oder Elektrosynthese hergestellte Produkte.The invention relates to a module reactor with an electrochemical cell, reactant feed and at least one heat exchanger. The invention is further directed to methods for performing an electrolysis or an electrosynthesis or for generating an electric current flow by means of a corresponding module reactor. The invention also relates to corresponding products produced by electrolysis or electrosynthesis.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Reaktor, insbesondere einen elektrochemischen Modulreaktor zum Betrieb mit wenigstens zwei Reaktanten. Der Reaktor umfasst wenigstens eine elektrochemische Zelle, wenigstens eine Reaktantzuführung und wenigstens einen Wärmeübertrager. Die Erfindung richtet sich ferner auf mittels des Modulreaktors durchführbare Verfahren sowie auf damit herstellbare Erzeugnisse.The invention relates to an electrochemical reactor, in particular an electrochemical module reactor for operation with at least two reactants. The reactor comprises at least one electrochemical cell, at least one reactant feed and at least one heat exchanger. The invention is further directed to methods which can be carried out by means of the module reactor and to products which can be produced therewith.
Bei gattungsgemäßen Modulreaktoren kann sich in Abhängigkeit von der räumlichen Verteilung bzw. Ausgestaltung der einzelnen Komponenten des Reaktors und in Abhängigkeit vom Reaktionsablauf eine problematische Temperaturverteilung innerhalb des Reaktors ergeben. Die Temperaturverteilung kann dabei so heterogen sein, dass einzelne Bereiche des Reaktors in einem für die jeweilige Reaktion optimalen Temperaturbereich gefahren werden, während andere Bereiche des Reaktors zu niedrige oder zu hohe Temperaturen für einen optimalen Reaktionsablauf aufweisen. Hierdurch wird die Reaktoreffizienz verringert und es kann zu weiteren Nachteilen wie Beschädigungen der Reaktorkomponenten und/oder Beeinträchtigungen der Reaktionspartner aufgrund unzulässiger Temperaturwerte kommen.In generic module reactors, depending on the spatial distribution or configuration of the individual components of the reactor and depending on the course of the reaction, a problematic temperature distribution within the reactor may result. The temperature distribution can be so heterogeneous that individual areas of the reactor are driven in an optimal temperature range for each reaction, while other areas of the reactor have too low or too high temperatures for an optimal reaction sequence. As a result, the reactor efficiency is reduced and it can lead to further disadvantages such as damage to the reactor components and / or impairments of the reactants due to impermissible temperature values.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Modulreaktor mit einer verbesserten Anordnung der Reaktorkomponenten bereitzustellen bzw. eine verbesserte Anordnung des Wärmeübertragers oder der entsprechenden Leitungen des Wärmeübertragers zu ermöglichen, wodurch auf die Temperaturverteilung innerhalb des Reaktors eingewirkt werden kann um diese optimal zu gestalten oder auch um den Reaktor bzw. die entsprechenden Komponenten vorteilhaft schnell auf Betriebstemperatur während der Startphase des Reaktors aufzuheizen. Dadurch wird ein Reaktor mit verbesserter Wärmeauskopplung bereitgestellt und es ist möglich, die erhöhte Abwärmeleistung eines Reaktors mit gesteigerter Leistungsdichte wirksam aus dem Reaktor abzuleiten. Durch die erfindungsgemäße Integration eines Wärmeübertragers und der weiteren Reaktorkomponenten innerhalb eines Reaktormoduls bzw. der Integration der genannten Komponenten innerhalb eines gemeinsamen Mantels kann das Gesamtsystem fernerhin insgesamt weniger komplex und kompakter als einzelnes Modul realisiert werden.The object of the invention is therefore to provide a module reactor with an improved arrangement of the reactor components or to allow an improved arrangement of the heat exchanger or the corresponding lines of the heat exchanger, which can be acted upon by the temperature distribution within the reactor to make this optimal or even order advantageous to heat the reactor or the corresponding components quickly to operating temperature during the startup phase of the reactor. This provides a reactor with improved heat extraction, and it is possible to efficiently drain the increased waste heat output of an enhanced power density reactor from the reactor. By integrating a heat exchanger according to the invention and the other reactor components within a reactor module or the integration of said components within a common jacket, the overall system can furthermore be realized overall less complex and more compact than a single module.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen elektrochemischen Modulreaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, mit wenigstens einer hohlkörperförmigen elektrochemischen Zelle, wenigstens einer Reaktantzuführung und wenigstens einem Wärmeübertrager gelöst, wobei die elektrochemische Zelle und der Wärmeübertrager wenigstens teilweise innerhalb eines Mantels angeordnet sind. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object underlying the invention is achieved by an electrochemical module reactor having the features of
Weil erfindungsgemäß die elektrochemische Zelle, die Reaktantzuführung und/oder der Wärmeübertrager nicht planar sondern beispielsweise als röhrenförmige Fluidleitungen ausgebildet werden, ist eine besonders platzsparende und räumlich nahe Anordnung der einzelnen Fluidleitungen innerhalb des Mantels möglich.Because according to the invention, the electrochemical cell, the Reaktantzuführung and / or the heat exchanger are not planar but for example, formed as a tubular fluid lines, a particularly space-saving and spatially close arrangement of the individual fluid lines within the shell is possible.
Mit einer hohlkörperförmigen elektrochemischen Zelle ist hierbei eine Zelle gemeint, welche nicht planar aufgebaut ist, sondern einen Innenraum aufweist. Der Innenraum muss dabei nicht allseitig begrenzt sein. Der Innenraum kann eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, es kann sich beispielsweise um einen röhrenförmigen Körper handeln.By a hollow-body-shaped electrochemical cell is meant here a cell which is not constructed in a planar manner but has an interior. The interior does not have to be limited on all sides. The interior may have one or more openings, it may be, for example, a tubular body.
Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einer Komponente die Rede ist, dann ist damit stets gemeint, dass auch mehr als eine entsprechende Komponente vorliegen kann bzw. dass wenigstens eine Komponente vorliegen muss.If in the present description of a component is mentioned, then it is always meant that more than one corresponding component may be present or that at least one component must be present.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die elektrochemische Zelle und/oder die Reaktantzuführung und/oder der Wärmeübertrager jeweils eine oder mehrere Fluidleitungen umfassen oder als Fluidleitungen ausgebildet sind, und/oder dass die elektrochemische Zelle einen Elektrolytbereich umfasst, und/oder dass die Reaktantzuführung wenigstens teilweise innerhalb des Mantels angeordnet ist, und/oder dass der Wärmeübertrager als Wärmeübertrager mit Fluidkreislauf, insbesondere als Thermosiphon und/oder als Wärmerohr ausgebildet ist, und/oder als Thermoelement ausgebildet ist. Die Fluidleitungen können dabei beliebige und auch nicht konstante Querschnitte aufweisen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die Querschnitte kreisförmig. Genauso sind aber auch Profile mit eckigen Querschnitten oder mit Querschnitten beliebiger Form denkbar. Durch komplexe Querschnittsgeometrien ist es denkbar, beispielsweise den Wärmetransfer in Hinsicht auf die Reaktion und/oder die Haltbarkeit der Membran zu optimieren.In a preferred embodiment, it is conceivable that the electrochemical cell and / or the reactant feed and / or the heat exchanger each comprise one or more fluid conduits or are formed as fluid conduits, and / or that the electrochemical cell comprises an electrolyte region, and / or that the reactant feed is at least partially disposed within the shell, and / or that the heat exchanger is designed as a heat exchanger with fluid circuit, in particular as a thermosiphon and / or as a heat pipe, and / or is designed as a thermocouple. The fluid lines can have any and not constant cross sections. In particularly preferred embodiments, the cross sections are circular. Equally, however, profiles with angular cross sections or with cross sections of any shape are conceivable. Due to complex cross-sectional geometries, it is conceivable, for example, to optimize the heat transfer with regard to the reaction and / or the durability of the membrane.
Der Elektrolyt, welcher vom Elektrolytbereich umfasst ist, kann als Membran, als dotierte Keramik und/oder als immobilisierte Säure ausgebildet sein. Die Reaktantzuführung kann als Fluidleitung innerhalb des Mantels ausgebildet sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Reaktantzuführung über entsprechende Anschlüsse mit dem Innenraum des Mantels kommuniziert und im Innenraum selbst keine Strukturen der Reaktantzuführung vorgesehen sind. Der Wärmeübertrager kann beispielsweise als Rohrbündelwärmeübertrager ausgebildet sein.The electrolyte, which is encompassed by the electrolyte region, may be formed as a membrane, as doped ceramic and / or as immobilized acid. The reactant feed may be formed as a fluid conduit within the shell. However, it can also be provided that the Reaktantzuführung communicates via corresponding connections with the interior of the shell and in the interior itself no structures of Reaktantzuführung are provided. The heat exchanger may be formed, for example, as a tube bundle heat exchanger.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Fluidleitungen parallel zueinander verlaufen und/oder dass die Fluidleitungen der elektrochemischen Zelle wenigstens teilweise innerhalb der Fluidleitungen des Wärmeübertragers verlaufen oder umgekehrt. Durch die parallele Anordnung der Fluidleitungen innerhalb des Mantels ist ein besonders einfacher Aufbau des Modulreaktors realisierbar. Wenn der Mantel als zylinderförmiges Bauteil ausgeführt ist, so können sich die Fluidleitungen beispielsweise parallel zwischen Deckfläche und Grundfläche des Zylinders erstrecken. Entsprechend können sich bei quaderförmiger oder sonstiger Ausführung des Mantels die Fluidleitungen zwischen gegenüberliegenden Seiten und insbesondere parallel zueinander erstrecken. Wenn die Fluidleitungen dabei mit einfachem, beispielsweise kreisförmigem, Querschnitt ausgeführt sind, so können sie dabei parallel nebeneinander verlaufen. Sind die Fluidleitungen oder Teile der Fluidleitungen dagegen mit komplexen Querschnitten ausgeführt, die Hohlräume aufweisen, so können innerhalb der Hohlräume der so geformten Fluidleitungen andere Fluidleitungen verlaufen. In a further preferred embodiment, it is conceivable that the fluid lines run parallel to one another and / or that the fluid lines of the electrochemical cell run at least partially within the fluid lines of the heat exchanger or vice versa. Due to the parallel arrangement of the fluid lines within the shell a particularly simple construction of the module reactor can be realized. If the jacket is designed as a cylindrical component, the fluid lines may extend, for example, parallel between the top surface and the bottom surface of the cylinder. Accordingly, in cuboidal or other embodiment of the shell, the fluid lines between opposite sides and in particular parallel to each other. If the fluid lines are designed with a simple, for example, circular, cross-section, they can thereby run parallel to each other. On the other hand, if the fluid lines or parts of the fluid lines are designed with complex cross-sections which have cavities, then other fluid lines can run within the cavities of the fluid lines formed in this way.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Fluidleitungen wenigstens teilweise als Durchflussleitungen innerhalb eines Innenraums des Mantels ausgebildet sind, wobei die Durchflussleitungen je an einer Stellen in den Innenraum des Mantels hineinführen und an einer anderen Stelle aus dem Innenraum des Mantels hinausführen. Bei einem im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführten Mantel können die Fluidleitungen dabei beispielsweise durch eine Deckfläche des Mantels in den Innenraum des Mantels hineinführen und durch eine Grundfläche des Mantels aus dessen Innenraum hinausführen. Hierdurch wird eine besonders einfache und besonders einfach herzustellende Geometrie des Modulreaktors ermöglicht. Die Fluidleitungen können auch in Haarnadelbauweise ausgeführt sein.In a further preferred embodiment, it is conceivable that the fluid lines are at least partially formed as flow lines within an interior of the shell, wherein the flow lines each lead at one point into the interior of the shell and out at a different location from the interior of the shell. In the case of an essentially cylindrical jacket, the fluid lines can lead into the interior of the jacket, for example through a cover surface of the jacket, and out of its interior through a base surface of the jacket. This allows a particularly simple and particularly easy to manufacture geometry of the module reactor. The fluid lines can also be designed in Haarnadelbauweise.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Reaktantzuführung einen porösen Durchlassbereich umfasst. Die poröse Ausgestaltung des Durchlassbereichs ermöglicht dabei eine vorteilhaft gleichmäßige Durchströmung des Durchlassbereichs. Hierdurch wird der in der Reaktantzuführung enthaltene bzw. der durch diese zugeführte Reaktant besonders gleichmäßig in den Innenraum des Mantels eingeleitet. Ein entsprechend porös ausgestalteter Durchlassbereich ist ferner besonders einfach herstellbar. Reagiert der so eingeleitete Reaktant dann innerhalb des Innenraums des Mantels bzw. im Bereich der elektrochemischen Zelle mit einem weiteren Reaktant, so kann dies besonders gleichmäßig erfolgen, was für den Wirkungsgrad der Reaktion vorteilhaft ist.In a further preferred embodiment, it is conceivable that the reactant feed comprises a porous passage region. The porous configuration of the passband allows an advantageously uniform flow through the passband. As a result, the reactant contained in the reactant feed or the reactant supplied by it is introduced particularly uniformly into the interior of the jacket. A correspondingly porous passband is also particularly easy to produce. If the reactant thus introduced then reacts within the interior of the jacket or in the region of the electrochemical cell with a further reactant, this can take place particularly uniformly, which is advantageous for the efficiency of the reaction.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Elektrolytbereich in einem mittleren Bereich der elektrochemischen Zelle vorgesehen ist, und/oder dass der Durchlassbereich in einem mittleren Bereich der Reaktantzuführung vorgesehen ist. Sind die elektrochemische Zelle und die Reaktantzuführung dabei als Fluidleitungen ausgeführt oder umfassen sie Fluidleitungen, so kann mit dem mittleren Bereich ein in axialer Richtung der Fluidleitungen mittig gelegene Bereich gemeint sein. Verlaufen die Fluidleitungen dabei gerade durch einen zylindrisch geformten Mantel, so können der Elektrolytbereich und/oder der Durchlassbereich entsprechend im axial mittleren Bereich des Mantels vorgesehen sein. Durch die mittige Anordnung der entsprechenden Bereiche kann eine größtmögliche Kühlung dieser Bereiche bewirkt werden, wodurch Reaktionen, welche auf eine Kühlung angewiesen sind, besonders effizient erfolgen können. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die größte Wärmeentwicklung beim Ablaufen der entsprechenden Reaktion im Elektrolytbereich auftritt. Läge dieser Bereich nicht im mittleren Bereich des Mantels sondern im Bereich von beispielsweise dessen Deckfläche oder Grundfläche, so könnte aufgrund des dort erschwerten Wärmetauschs keine optimale Kühlung gewährleistet werden. Gleiche Argumente bezüglich des Wärmeübertrags gelten entsprechend für das Aufheizen des Reaktors während dessen Aufheizphase.In a further preferred embodiment, it is conceivable that the electrolyte region is provided in a central region of the electrochemical cell, and / or that the passage region is provided in a central region of the reactant feed. In this case, if the electrochemical cell and the reactant feed are designed as fluid lines or if they comprise fluid lines, then the middle area may mean an area located centrally in the axial direction of the fluid lines. If the fluid lines run straight through a cylindrically shaped jacket, then the electrolyte region and / or the passage region can be provided correspondingly in the axially middle region of the jacket. Due to the central arrangement of the corresponding areas, the greatest possible cooling of these areas can be effected, as a result of which reactions, which depend on cooling, can take place particularly efficiently. It is assumed that the greatest heat development occurs when the corresponding reaction takes place in the electrolyte region. If this area were not in the middle region of the jacket but in the region of, for example, its top surface or base surface, optimum cooling could not be ensured due to the heat exchange that is made difficult there. Similar arguments regarding heat transfer apply mutatis mutandis to heating the reactor during its heating phase.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Elektrolytbereich und/oder der Durchlassbereich an einem Mantelbereich der Fluidleitungen vorgesehen sind, oder dass der Elektrolytbereich und/oder der Durchlassbereich einen Mantelbereich der Fluidleitungen bilden, und/oder dass der Elektrolytbereich eine Ionen-Austausch-Membran umfasst und/oder dass der Durchlassbereich durchlässig für mittels Reaktantzuführung zugeführte Reaktanten ist. Hierdurch wird der Mantelbereich der Fluidleitungen bzw. ein Teil davon zu einem Bereich, durch den ein Stoffdurchsatz bzw. -transport zwischen den Innenseiten der Fluidleitungen und deren Außenseiten ermöglicht wird. Der entsprechend geformte Elektrolytbereich bzw. Durchlassbereich ermöglicht damit sowohl einen Stofftransport durch den jeweiligen Bereich hindurch als auch in axialer Richtung der entsprechenden Fluidleitung. Dabei kann der Elektrolytbereich bzw. der Durchlassbereich nicht planar sondern entsprechend der Form der Fluidleitung ausgebildet sein.In a further preferred exemplary embodiment, it is conceivable for the electrolyte region and / or the passage region to be provided on a jacket region of the fluid lines, or for the electrolyte region and / or the passage region to form a jacket region of the fluid lines, and / or for the electrolyte region to comprise an ion exchange Membrane comprises and / or that the passage region is permeable to reactant supplied by reactants. As a result, the jacket region of the fluid lines or a part thereof becomes a region through which a material throughput or transport between the insides of the fluid lines and their outer sides is made possible. The correspondingly shaped electrolyte region or passage region thus enables both mass transport through the respective region as well as in the axial direction of the corresponding fluid line. In this case, the electrolyte region or the passage region can not be planar but can be designed in accordance with the shape of the fluid line.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die elektrochemische Zelle und die Reaktantzuführung getrennt voneinander unterschiedliche Reaktanten dem Modulreaktor zuführen, und/oder dass die elektrochemische Zelle eine Reduktionsmittelzuleitung des Modulreaktors und die Reaktantzuführung eine Oxidationsmittelzuleitung des Modulreaktors ist oder umgekehrt. Die Reaktion der Reaktanten miteinander kann so gezielt in einem bestimmten Bereich des Mantels bzw. in bestimmten Bereichen der elektrochemischen Zelle durchgeführt werden.In a further preferred embodiment, it is conceivable that the electrochemical cell and the Reaktantzuführung separately supplied different reactants to the module reactor, and / or that the electrochemical cell, a reducing agent supply line of the module reactor and the Reaktantzuführung a Oxidant supply to the module reactor is or vice versa. The reaction of the reactants with one another can thus be carried out selectively in a specific region of the jacket or in specific regions of the electrochemical cell.
Bei dem Reduktionsmittel kann es sich um einen Brennstoff wie Wasserstoff oder eine wasserstoffhaltige Verbindung oder ein Gemisch handeln und bei dem Oxidationsmittel kann es sich um Sauerstoff bzw. Luftsauerstoff oder eine sauerstoffhaltige Verbindung oder ein Gemisch handeln. Somit kann der Modulreaktor als galvanische Zelle zur Spannungserzeugung genutzt werden. Wird umgekehrt eine elektrische Spannung an die elektrochemische Zelle angelegt, kann der Modulreaktor unter Auswahl entsprechender Reaktanten zur Elektrolyse genutzt werden.The reducing agent may be a fuel such as hydrogen or a hydrogen-containing compound or a mixture, and the oxidizing agent may be oxygen, oxygen or an oxygen-containing compound or a mixture. Thus, the module reactor can be used as a galvanic cell for voltage generation. Conversely, if an electrical voltage is applied to the electrochemical cell, the module reactor can be used by selecting appropriate reactants for electrolysis.
Eine Ausführung des Modulreaktors mit Brennstoffzuleitung und Sauerstoffzuleitung sowie mit Protonen-Austausch-Membranen kann sich dabei auf eine PEM-Brennstoffzelle beziehen. Die hohlkörperförmigen elektrochemischen Zellen einer derartigen PEM-Brennstoffzelle können dabei eine Membran bzw. einen Elektrolyt aufweisen, der in einem Tauchbeschichtungsverfahren in Kombination mit einem Sol-Gel-Prozess hergestellt wird und aus einem Polymer besteht. Im Unterschied zu PEM-Brennstoffzellen arbeiten bekannte Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) bei Betriebstemperaturen von etwa 800°C bzw. bei Temperaturen von über 400°C. Die vorliegend verwendbaren Protonen-Austausch-Membranen arbeiten bei Temperaturen von weniger als 400°C, insbesondere von weniger als 300°C. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen arbeiten die vorliegend verwendbaren Protonen-Austausch-Membranen bei Temperaturen von 120–250°C und besonders bevorzugt im Bereich von 120–160°C.An embodiment of the module reactor with fuel supply and oxygen supply and with proton exchange membranes may relate to a PEM fuel cell. The hollow-body-shaped electrochemical cells of such a PEM fuel cell may have a membrane or an electrolyte, which is produced in a dip coating process in combination with a sol-gel process and consists of a polymer. In contrast to PEM fuel cells known solid oxide fuel cells (SOFC) operate at operating temperatures of about 800 ° C and at temperatures above 400 ° C. The presently usable proton exchange membranes operate at temperatures of less than 400 ° C, especially less than 300 ° C. In particularly preferred embodiments, the presently usable proton exchange membranes operate at temperatures of 120-250 ° C, and more preferably in the range of 120-160 ° C.
Denkbar sind jedoch genauso Ausführungen, in welchen das Prinzip des vorliegenden Modulreaktors zur Durchführung anderer chemischer Reaktionen genutzt wird.Conceivable, however, are embodiments in which the principle of the present module reactor is used to carry out other chemical reactions.
Die Erfindung richtet sich ferner auf ein Verfahren zur Durchführung einer Elektrolyse oder Elektrosynthese oder auch zur Erzeugung eines elektrischen Stromflusses mittels eines elektrochemischen Modulreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie auf ein Elektrolyseprodukt oder Elektrosyntheseprodukt, welches mittels eines elektrochemischen Modulreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.The invention is further directed to a method for carrying out an electrolysis or electrosynthesis or else for generating an electric current flow by means of an electrochemical module reactor according to any one of
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen:Further details and advantages of the present invention will be explained with reference to the embodiments shown in the figures. Showing:
Die elektrochemischen Zellen
In den Reaktantzuführungen
Ferner zeigt
Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Modulreaktors
Durch den Zwischenraum, welcher sich zwischen der Wandung der Durchführungen
Die elektrochemischen Zellen
Der Mantel
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