DE10323636A1

DE10323636A1 - Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE10323636A1
Application number: DE10323636A
Authority: DE
Inventors: Gesine Arends; Peter Riegger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: DE10323636B4; ITMI20041022A1; US20040241508A1

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Reaktor (1) für einen ersten Umwandlungsschritt zur Erzeugung von H¶2¶-reichem Synthesegas für eine Brennstoffzelle aus einem Kraftstoff vorgeschlagen, die kostengünstig zu fertigen ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Reaktor für den ersten Umwandlungsschritt (1) und/oder wenigstens eine Aufbereitungseinheit (2, 3, 4, 5, 6) zur Anpassung des Reformatgases an die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennstoffzellenvorrichtungen erhalten im Bereich der Antriebstechnik aber auch in anderen Technikbereichen eine wachsende Bedeutung. Bislang sind Kraftstoffaufbereitungsanlagen für Brennstoffzellenvorrichtungen bekannt geworden, die mittels eines Kraftstoffreformers einen Kraftstoff, beispielsweise eine Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch in wasserstoffhaltiges Reformatgas umsetzen, das für den Betrieb einer Brennstoffzelle geeignet ist.

Diese Umsetzung wird häufig in sogenannten Dampfreformern oder autothermen Reformern vorgenommen, wobei neben dem Kraftstoffedukt auch Wasserdampf benötigt wird, um den Wasserstoff freizusetzen. Der üblicherweise eingesetzte zweite Prozessschritt zur weiteren Umsetzung benötigt ebenfalls Wasserdampf. Auch bei anderen Verfahren (z.B. partieller Oxidation) als erstem Prozessschritt ist die Erfindung für weitere/nachgeschaltete Stufen anwendbar.

Da die verwendeten Edukte und insbesondere auch das zugeführte Wasser sehr rein sind, ergibt sich eine deionisierende Wirkung des Prozesswassers. Daher werden der Reformer sowie die nachgeschalteten Baueinheiten wie Reaktoren, Wärmetauscher, usw. in der Regel aus Edelstahl gefertigt. Die Fertigung aus Edelstahl bedeutet jedoch einen vergleichsweise hohen Produktionsaufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere mit Gasaufbereitungsanlage vorzuschlagen, die deutlich kostengünstiger zu fertigen ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung dadurch aus, dass der Reaktor für den ersten Umwandlungsschritt und/oder die diesem Reaktor nachgeschalteten Aufbereitungseinheiten wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehen. Die Verwendung von Kunststoff bietet zum einen bereits durch die Materialauswahl Kostenvorteile.

Darüber hinaus ist durch geeignete Formverfahren die Verarbeitung von Kunststoff erheblich günstiger als die von Edelstahl zu bewerkstelligen. Auch die Prozess- oder Leitungsführung lässt sich in einem Kunststoffbauteil durch die größeren konstruktiven Möglichkeiten verbessern.

Komplexere Geometrien und ein kompakteres Anlagenlayout sind dementsprechend bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Kunststoff möglich. Die Wärmekapazität vieler Kunststoffe sind darüber hinaus deutlich niedriger, wodurch sich ein schnelleres Startverhalten der Brennstoffzellenvorrichtung ergeben kann.

Weiterhin sind Kunststoffe in ihrer Wärmeleitfähigkeit regelmäßig niedriger als Metalle, beispielsweise Edelstahl. Aus diesem Umstand ergibt sich der Vorteil, dass die verschiedenen Temperaturbereiche bei der Gasaufbereitung besser zu trennen sind. Hierdurch wiederum ergibt sich eine leichtere Prozessbeherrschung und geringere Wärmeverluste bei der Gasaufbereitung.

Die Verwendung von Kunststoff hat darüber hinaus den Vorteil, dass keinerlei Ionenaustrag in das Reformatgas stattfinden kann. Jede Form von Ladungsträgern, die in die Brennstoffzelle gelangen, sind für den Betrieb der Brennstoffzelle schädlich, d.h. sie verschlechtern deren Leistung. Ladungsträger in der Brennstoffzelle ergeben einen höheren Widerstand mit der damit verbundenen Wärmeentwicklung. Im Extremfall kann diese Wärmeentwicklung sogar eine Gefahr für die Brennstoffzellenmembran bedeuten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 10 W/mK verwendet. Eine gewisse Wärmeleitfähigkeit wird hierdurch sichergestellt, so dass eine erfindungsgemäße Aufbereitungseinheit durchaus einer Temperaturkontrolle, beispielsweise durch Kühlung zugänglich ist.

Als Kunststoffe zum Einsatz gemäß der Erfindung kommen beispielsweise PTFE, PA, PPS und/oder PEEK in Frage. Diese Kunststoffe zeichnen sich durch eine hohe Temperaturresistenz aus. Sie sind insbesondere bis ca. 250°C, in Ausnahmefällen auch bei noch höheren Temperaturen einsetzbar. Die genannten Kunststoffe weisen darüber hinaus eine hohe Formbeständigkeit auf und liegen mit ihrer Wärmeleitfähigkeit im gewünschten, oben angeführten Bereich.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden verschiedene Kunststoffe für die erfindungsgemäße Fertigung einer Aufbereitungseinheit vorgesehen. Auf diese Weise können die Kunststoffeigenschaften je nach den lokal auftretenden Anforderungen variiert werden. So kann im Anschlussbereich, in dem beispielsweise mechanische Anforderungen überwiegen ein anderes Material verwendet werden, als in Bereichen, in denen andere Anforderungen, z.B. ein möglichst hoher Wärmeübertrag oder dergleichen, gestellt werden.

Neben der Verwendung verschiedener Kunststoffe kommt in einer besonderen Ausführungsform auch die lokal verschiedene Beeinflussung der Materialeigenschaften durch entsprechende Zusätze in Betracht. So kann beispielsweise der Kohlenstoffgehalt in demselben Basismaterial lokal variiert werden, um beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit lokal unterschiedlich zu gestalten. Auch die mechanischen Eigenschaften verändern sich beispielsweise bei einem unterschiedlichen Kohlenstoffgehalt.

Die erfindungsgemäß gefertigte Aufbereitungseinheit kann beispielsweise ein Reaktor sein, der zur chemischen Umsetzung des Reformatgases vorgesehen ist. Derartige Reaktoren werden als Reinigungsstufen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen eingesetzt, um Kohlenmonoxid im Reformatgas zu Kohlendioxid aufzuoxidieren, da Kohlenmonoxid ein für die Brennstoffzelle schädliches und daher unerwünschtes Gas ist.

In derartigen Reaktoren muss dementsprechend eine Leitungsführung für das Reformatgas und ein Reaktionsraum vorgesehen werden. Darüber hinaus wird in manchen bekannten Anlagen ein Eduktstrom durch solche Reinigungsstufen geführt, um die Reaktionswärme der Eduktvorwärmung zu nutzen.

Die Formgebung für diese konstruktiven Maßnahmen unterliegt bei der Verwendung von Kunststoff nunmehr einer wesentlich größeren Gestaltungsfreiheit.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Kunststoffmaterial in einem Reaktor unmittelbar als Träger für katalytisches Material vorgesehen. Auch hierbei kann je nach Anwendungsfall die Verwendung von Kunststoff Vorteile bieten, da Geometrien mit großer Oberfläche gut formbar sind, die anschließend katalytisch beschichtet werden können. Eine große Oberfläche von katalytisch wirksamen Material wiederum bedeutet eine verstärkte chemische Umsetzung im Reaktor an dem katalytischen Material.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Aufbereitungseinheit unter Verwendung von Kunststoff als Wärmetauscher ausgebildet. Wärmetauscher sind in Kraftstoffreformierungsanlagen für Brennstoffzellen bereits an unterschiedlicher Stelle im Einsatz. Diese Wärmetauscher werden verwendet, um die Temperatur des Reformatgases im Verlauf zur Brennstoffzelle abzukühlen. Die Reformatgastemperatur wird hierbei beispielsweise an die Betriebstemperatur von Reinigungsstufen oder aber auch an die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle je nach Lage des Wärmetauschers angepasst.

In dieser Ausführungsform wird nun ein Wärmetauscher in einer solchen Kraftstoffreformierungsanlage wenigstens teilweise aus Kunststoff gefertigt. Die oben angeführten Vorteile hinsichtlich der nunmehr möglichen konstruktiven Freiheit sowie des geringeren Fertigungsaufwandes kommen auch hier ohne weiteres zum Tragen.

Sofern mehrere Aufbereitungseinheiten wie die oben angeführten Reaktoren als Reinigungsstufen und Wärmetauscher vorgesehen sind, so steht einem erfindungsgemäßen Einsatz von Kunststoff bei mehreren Aufbereitungseinheiten nichts im Wege. Die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile sind vielmehr in größerem Ausmaß zu erzielen, je mehr Aufbereitungseinheiten entsprechend ausgebildet werden. So können z.B. auch 3, 4 oder auch noch mehr Aufbereitungseinheiten Anwendung finden.

Wie bereits oben angedeutet, können die Fluidleitungen, beispielsweise für Reformatgas oder Edukte bei einer erfindungsgemäßen Kunststofffertigung bereits während des Formvorgangs eingeformt werden, wobei eine gegenüber der Verwendung von Metall große Gestaltungsfreiheit in der Form bei kostengünstiger Fertigung gegeben ist.

In einer vor allem in hohen Stückzahlen kostengünstigen Fertigungsvariante wird dabei eine erfindungsgemäße Aufbereitungseinheit im Spritzgussverfahren hergestellt. Gegenüber einer Fertigung aus Metall ergibt sich bei einer spritzgegossenen Kunststoffeinheit ein erheblicher Kostenvorteil.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figur nachfolgend näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm für eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung.
Das Blockdiagramm gemäß der einzigen Figur umfasst einen Kraftstoffreformer 1, der mit Edukt beispielsweise mit Wasser und einem Kohlenwasserstoff bzw. einem Kohlenwasserstoffgemisch versorgt wird. Der Reformatgasstrom R durchläuft anschließend verschiedene Aufbereitungseinheiten. Zunächst gelangt das Reformatgas in einen Wärmetauscher 2, in dem das heiße Reformatgas auf die Betriebstemperatur eines nachgeschalteten als Reinigungsstufe dienenden Reaktors 3 abgekühlt wird. Im Reaktor 3 wird Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Kohlendioxid umgesetzt, wobei zusätzliche Reaktionswärme entsteht.
Das Reformatgas wird anschließend über einen weiteren Wärmetauscher 4 einem zweiten, als weitere Reinigungsstufe dienenden Reaktor 5 zugeführt. Der Reaktor 5 arbeitet bei einer gegenüber dem Reaktor 3 niedrigeren Betriebstemperatur, die über den Wärmetauscher 4 eingestellt wird.
Bei niedrigerer Betriebstemperatur findet weniger Umsetzung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid statt, es ist jedoch eine vollständigere Reinigung von Kohlenmonoxid möglich.
Im Anschluss an den Reaktor 5 folgt ein weiterer Wärmetauscher 6, der das Reformatgas auf die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 7 bringt.
Diese Anordnung stellt eine mittlerweile bekannte Brennstoffzellenvorrichtung mit Kraftstoffreformierung dar. Je nach Gegebenheit können ein oder mehrere Eduktströme im Gegenstrom zum Reformatgasstrom R durch die Wärmetauscher 2, 4, 6 und/oder die Reaktoren 3, 5 geführt werden, so dass diese Edukte vorgewärmt werden.
Erfindungsgemäß werden nun ein oder mehrere Einheiten der Kraftstoffreformierung wenigstens teilweise aus Kunststoff gefertigt. Grundsätzlich kommen die erfindungsgemäßen Vorteile auch beim Einsatz im Reformer 1 zum Tragen, wobei hier derzeit das Problem der hohen Betriebstemperatur besteht. Bekannte, insbesondere die oben angeführten Kunststoffe sind jedoch bereits dafür geeignet, in nachgeschalteten Einheiten, beispielsweise in den Reaktoren 3, 5 oder den Wärmetauschern 2, 4, 6 eingesetzt zu werden. Hierbei kommen unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise die vollständige oder nur teilweise Verwendung von Kunststoff, die Kombination verschiedener Kunststoffe oder auch die Kombination mit anderen Materialien für eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Frage. Wesentlich ist die Neuerung, zumindest teilweise von der bisherigen Verwendung von Metall abzusehen und dieses durch Kunststoff zu ersetzten.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Reaktor für einen ersten Umwandlungsschritt zur Erzeugung von H₂-reichem Synthesegas für eine Brennstoffzelle aus einem Kraftstoff dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) und/oder wenigstens eine Aufbereitungseinheit (2, 3, 4, 5, 6) zur Anpassung des Reformatgases an die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff eine Wärmeleitfähigkeit größer 10 W/mK aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff PTFE, PA, PPS und/oder PEEK vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Kunststoffe miteinander kombiniert vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Kunststoffs bereichsweise variiert.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt des Kunststoffs bereichsweise variiert.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Aufbereitungseinheit ein Reaktor (3, 5) zur weiteren chemischen Umsetzung wenigstens eines Teils des Reformatgases ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass katalytisches Material auf einem Kunststoffträger aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Aufbereitungseinheit als Wärmetauscher zur Abwärmenutzung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aufbereitungseinheiten vorgesehen sind, die wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehen.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Fluidleitungen für Reformatgas und/oder Edukt in die Aufbereitungseinheit eingeformt sind.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinheit wenigstens teilweise spritzgegossen ist.