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Verfahren und System zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und ein System zur Erzeugung von elektrischer Energie durch
die indirekte Verwendung eines reformierbaren Brennstoffes.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
und ein verbessertes System zur Erzeugung elektrischer Energie zu entwickeln.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Elektrolyt ionisch leitend zwischen einer
Anode und einer Kathode angeordnet wird, die als Elektroden für ein Brenristoffelecnent
dienen, lfrennstoft dem Brennstoffelement
für eine elektrochemische
Oxydation an der Anode zugeführt wird, indem eine Mischung aus Wasser und einem
reformierbaren Brennstoff in wärmeannehmender Beziehung mit einer Verbrennungszone
umgesetzt wird, um ein Reformat, das Wasserstoff einschließt, zu erzeugen, das Reformat
dem Brennstoffelement zugeführt wird, ein Oxydationsmittel dem Brennstoffelement
zur elektrochemischen Reduktion an der Kathode zugeführt wird, ein Brennstoff und
ein Oxydationsmittel im Überschuß über die Erfordernisse des Brennstoffelements
der Verbrennungszone zugeführt werden, der überschüssige Brennstoff und das überschüssige
Oxydationsmittel innerhalb der Verbrennungszone exothermisch vereinigt werden, der
innerhalb der Verbrennungszone und innerhalb des Brennstoffelements gebildete Wasserdampf
kondensiert wird und das bei der Erzeugung des Reformats verbrauchte Wasser mit
kondensiertem Wasser wieder aufgefüllt wird, Die Erfindung betrifft weiterhin ein
System zur Erzeugung von elektrischer Energie, gekennzeichnet durch ein Brennstoffelement,
das eine Kathode, eine Anode, eine zwischen der der Kathode und der Anode angeordnete
Elektrolytvorrichtung, um dazwischen eine ionische Leitung herzustellen, eine Vorrichtung
zur Bildung einer Oxydationskammer neben der Kathode und eine Vorrichtung zur Bildung
einer Wasserstoffkammer neben der Anode enthält, eine Reformierungsvorrichtung einschließlich
einer Brennervorrichtung, eine Vorrichtung für die Zuführung von Wasser und Brennstoff
zii der Reformierungsvorrichtung einschließlich einer Wasserdampf-kondensierungsvorrichtung,
eine
Vorrichtung für die Zuführung des Reformats aus der Reformierungsvorrichtung
zu der Wasserstoffkammer-Vorrichtung, eine Vorrichtung für die Zuführung von Oxydationsmitteln
zu der Oxydationskammer, eine Vorrichtung für die Zuführung von Brennstoff-zu der
Brennervorrichtung, eine Vorrichtung für die Zuführung von Oxydationsmittel zu der
Brennervorrichtung und eine Vorrichtung für die Zuführung von Wasserdampf aus dem
Brennstoffelement und der Brennervorrichtung zu der Kondensierungsvorrichtung.
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Das Verfahren und das System nach der Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert.
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Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Systems nach der Erfindung,
das mit Brennstoffelementen verwendet wird, die einen freien wässrigen sauren Elektrolyten
besitzen und bei Temperaturen gut über der Umgebungstemperatur arbeiten.
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Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Systems nach der Erfindung,-das
mit Brennstoffelementen verwendet wird, die einen freien wässerigen alkalischen
Elektrolyten besitzen.
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm eines
Systems nach der Erfindung, das mit Brennstoffelementen verwendet wird, die einen
festgelegten Elektrolyten besitzen.
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Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines Systems nach der Erfindung,
das mit Brennstoffelementen verwendet wird, die einen freien wässerigen sauren Elektrolyten
besitzen und bei Temperaturen in der Nähe der Raumtemperatur betrieben werden.
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Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem reformierbaren Brennstoff
dar. Dabei wird ein Brenn-Stoffelement mit einem freien wässerigen sauren Elektrolyten
verwendet. Das Brennstoffelement wird bei einer Temperatur im Bereich von 93 bis
232°C betrieben. Das schematisch dargestellte Brennstoffelement 1 ist in eine Wasserstoff-Kammervorrichtung
3, eine Elektrolytvorrichtung 5, eine Oxydationskammer-Vorrichtung 7 aufgeteilt
und besitzt eine Anode 9, die zwischen der Wasserstoff-Kammervorrichtung und der
Elektrolytvorrichtung angeordnet ist, und eine Kathode@11, die zwischen der Oxydationskammer-Vorrichtung
und der Elektrolyt-Vorrichtung angeordnet ist. Brennstoffelemente mit I'hosphorsäureelektrolyte
sind typisch für die herkömmlichen Brennstoffelemente, die in dem System verwendet
werden. Das Brennstoffelement ist schematisch
als eine einzelne
Elementeinheit dargestellt, man kann ,jedoch auch eine Batterie von Elementen verwenden.
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Um der Wasserstoffkammer-Vorrichtung des Brennstoffelementes Wasserstoff
zuzuführen, ist eine Vorrichtung 13 vorgesehen, die als eine Brennstoffquelle dient.
Die Leitungsvorrichtung 15 und die Pumpvorrichtung 17 führen den Brennstoff zum
Reformer 19. Dem Reformer wird gleichzeitig durch die Leitungsvorrichtung 21 und
durch die Pumpvorrichtung 23 Wasser zugeführt. Ein Wärmeaustauscher 25 führt Wärme
von der Brennstoffelement-Elektrolytvorrichtung zu dem Wasser und dem Brennstoff
ab, die dem Reformer zugeführt werden. Die Leitungsvorrichtungen 27 und 29 und die
Pumpvorrichtung 31 zirkulieren den freien wässerigen sauren Elektrolyten von der
Elektrolytvorrichtung des Brennstoffelements zu dem Wärmeaustauscher.
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Die hier verwendete Bezeichnung "Reformer" bezieht sich auf ,jede
herkömmliche Apparatur zur Erzeugung von Wasserstoff durch die Reaktion von Wasser
mit einem reformierbaren Brenn-Stoff. Von den bekannten reformierbaren Brennstoffen
werden die Kohlenwasserstoffe und Alkohole im allgemeinen aus wirtschaftlichen Gründen
bevorzugt verwendet. Vorzugsweise wird ein katalytischer Reformer verwendet, der
einen herkömmlichen reformierenden Katalysator benutzt, wie er beispielsweise im
Handel von Engelhard Industries, Girdler, the Institute of Gas `fechnology und dgl.
erhalten werden kann. Bei der Reformierung von Wasser und Kohlenwasserstoffen oder
Alkoholmischungen werden
die Reformer in typischer 1yeise je nach
dem spezifischen Einspeisematerial und dem gewählten Katalysator in Temperatur-Bereichen
von 430 bis 760°C betrieben. Der Reformer setzt das Wasser und die Brennstoffmischung
um und erzeugt Wasserstoff, der bestimmte Mengen an Wasser, Methan, Kohlendioxyd,
Kohlenmonoxyd und verschiedene mitgerissene Spurenstoffe enthält. Während in Fig.
1 nur ein Reformer dargestellt ist, können auch zwei oder mehrere Reformer in Serie
verwendet werden, wobei die Reformer den gleichen oder verschiedene Katalysatoren
besitzen, um eine möglichst wirksame Wasserstofferzeugung zu erreichen.
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Der im Reformer erzeugte Wasserstoff wird zusammen mit den mitgerissenen
Materialien - in herkömmlicher «eise als unreiner Wasserstoff bezeichnet - vom Reformer
zu der Wasserstoffkammer-Vorrichtung durch die Leitungsvorrichtung 33 zirkuliert.
Da Brennstoffelemente mit Phosphorsäureelektrolyte gegenüber Reformatverunreinigungen
wie beispielsweise Kohlenmonoxyd relativ unempfindlich sind, werden keine weiteren
Vorrichtungen zum Raffinieren des eingespeisten Materials verwendet. Da die Reformierung
im allgemeinen bei Temperaturen durchgeführt wird, die ziemlich über der maximal
erwünschten Betriebstemperatur des Brennstoffelements liegt, ist ein Wärmeaustauscher
35 vorgesehen, der die Wärme vom Reformat auf das Wasser und den Brennstoff, die
dem Reformer zugeführt werden, überträgt. Dadurch wird ein doppelter Vorteil erreicht:
erstens wird die Wärmeenergiemenge reduziert, die zugeführt werden muß, damit die
Reformierung
erreicht wird, und zweitens wird die Temperatur des in die Wasserstoffkammer-Vorrichtung
eintretenden Beschikkungsmaterial auf eine Temperatur bei oder in der Nähe der Temperatur
des Brennstoffelements reduziert. Dadurch, daß das Beschickungsmaterial das Brennstoffelement
bei einer Temperatur in der Nähe der Betriebstemperatur betritt, wird die Erzeugung
von thermischen Überbeanspruchungen (thermal stresses) innerhalb des Brennstoffelementes
auf ein Mindestmaß reduziert. Die thermischen Überbeanspruchungen können über längere
Zeiträume der Verwendung zu strukturellen Fehlern beitragen.
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Die Leitungsvorrichtung 37 führt ein Oxydationsmittel zu der Oxydationskammer-Vorrichtung.
Wird eine elektrische Ladung über die Elektroden des Brennstoffelements verbunden,
dann wird mindestens ein Teil des Oxydationsmittels, das der Oxydatianskammer-Vorrichtung
zugeführt wird, und des Wasserstoffs, der der Wasserstoffkammer-Vorrichtung zugeführt
wird, elektrochemisch an der Kathode und an der Anode umgesetzt. In dem dargestellten
spezifischen System, indem das Brennstoffelement einen freien wässerigen sauren
Elektrolyten verwendet, wird der Wasserstoff in der Wasserstoffkammer-Vorrichtung
zu Wasser-Stoffionen oxydiert, die in den Elektrolyten hineingehen. Die bei der
Oxydation abgegebenen Elektronen werden der Anode zugeführt und werden über einen
äußeren (externen) Stromkreis, der hier nicht gezeigt wird, der Kathode zugeführt.
Gleichzeitig wird das Oxydationsmittel in der Oxydationskammer-Vorrichtung reduziert.
In den Fällen, in denen Sauerstoff oder Luft als Oxydationsmittel verwendet werden,
besteht das gebildete Reaktionsprodukt
aus Wasser. Bei einer bestimmten
vorgegebenen Betriebstemperatur des Brennstoffelements wird ein Gleichgewicht zwischen
dem Elektrolyten und dem Wasserdampf hergestellt, der zu der Oxydationsmittel-Kammervorrichtung
abgeleitet wird, so daß keine Tendenz besteht, daß der Elektrolyt Wasser verlier
oder annimmt.
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Um einen wirksamen Betrieb des Brennstoffelements zu erreichen, wird
dem Brennstoffelement Brennstoff und Oxydationsmittel im Überschuß über die notwendige
Verbrauchsmenge zugeführt. Für diesen Zweck ist eine Leitungsvorrichtung 39 vorgesehen,
die eine überschüssige Menge an Brennstoff zusammen mit den mitgerissenen Verunreinigungen
zu dem Brenner 41 führt. Eine Leitungsvorrichtung 43 führt überschüssiges Oxydationsmittel,
beigemengte Verunreinigungen (beispielsweise Stickstoff aus Luft) und Wasserdampf
zu dem Brenner. Das überschüssige Oxydationsmittel und der überschüssige Brennstoff
werden am Brenner exotherm umgesetzt und erhitzen den Reformer auf die erwünschte
Betriebstemperatur. Bei manchen Anwendungsarten ist es wünschenswert, der Wasserstoffkammer-Vorrichtung
des Brennstoffelements weniger überschüssigen Brennstoff zuzuführen, als vom@Brenner
benötigt wird. In einem solchen Fall wird eine fakultative Leitungsvorrichtung 45
verwendet, die sich von der Brennstoff-Leitungsvorrichtung stromaufwärts vom Reformer
zu der Leitungsvorrichtung 39 erstreckt. Die Kontroll- und Steuervorrichtung 47
stellt die Strömungsrate des nichtreformierten Brennstoffes zum Brenner ein. Die
Verwendung einer solchen Leitungsvorrichtung
45 ermöglicht die
Zuführung des Brennstoffes zum Brenner ohne eine Reformierung. Das bedeutet wiederum,
daß die Kapazität des Reformers proportional reduziert werden kann.
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Wenn keine elektrische Energie vom Brennstoffelement abgenommen wird,
dann wird der Brennstoff oder das Oxydationsmittel, die dem Brennstoffelement zugeführt
werden, nicht verbraucht. Wird Luft als das Oxydationsmittel verwendet, dann sind
die Kosten für das Oxydationsmittel sehr gering, so daß dieses in die Atmoshpäre
abgeführt werden kann ohne daß wirtschaftliche Nachteile entstehen. Jedoch ist es
bei den meisten Anwendungsarten wünschenswert, den Brennstoff möglichst wirksam
zu verwenden. Brennstoffverluste bei niedrigen oder Nichtladungszuständen können
dadurch einfach verhindert werden, daß der Brennstoffstrom zu dem Reformer in Relation
zu der elektrischen Energiemenge reguliert wird, die dem Brennstoffelement zugeführt
wird. In den Fällen, in denen das erfindungsgemäße System vorzugsweise bei relativ
stetigen Beschickungsmaterialraten bedient wird, ist es von Vorteil, eine fakultative
Leitungsvorrichtung 49 einzuschließen, die den Brennstoff von der Übersehußbrennstoff-Leitungsvorrichtung
39 zu der Leitungssvorrichtung 13 für reformierbaren Brennstoff rezirkuliert. Die
Hezirkulationsrate des überschüssigen Drennstoffes wird durch die Strömungsregulier-Vorrichtung
51 kontrolliert und gesteuert. Die Stromr4gulierungss-Vorrichtung
ist vorzugsweise ein Gerät
zum Messen der elektrischen Energiemenge,
die durch das Drenn-Stoffelement zugeführt wird und Brennstoff in die umgekehrte
Relation
dazu rezirkuliert. In der einfachsten Form ist die Stromregulierungs-Vorrichtung
ein solenoidkontrolliertes Ventil, bei der das Solenoid bei Betätigung das Ventil
zur verschlossenen Stellung beeinflußt. Wird das Solenoid in einen Stromkreis mit
dem Brennstoffelement und mit. einer elektrischen Ladung in Serie geschaltet, dann
kan eine automatische Rezirkulation des überschüssigen Brennstoffes unter niedrigen
oder Nichtladungszuständen erreicht werden. Dafür kann eine herkömmliche bei Hand
oder automatisch zu betätigende Stromregulierungs-Vorrichtung verwendet werden.
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Um ein System zu schaffen, indem der reformierbare Brennstoff den
einzigen logistischen Bedarf darstellt, ist es notwendig, eine Vorrichtung einzuschließen,
die das dem Reformer zugeführten und vom Reformer verbrauchte Wasser wieder auffüllt.
Um diese Funktion durchzuführen, wird in dem System nach der Erfindung eine Wasserwiedergewinnungseinheit
53 verwendet. Die Wasserwiedergewinnungseinheit besitzt einen inneren Hauptteil
55 und einen äußeren Hauptteil 57. Der innere Hauptteil ist in einen oberen Abschnitt
59 und in einen unteren Abschnitt 61 aufgeteilt. Der obere Abschnitt ist
bei 63 mit einem geeigneten thermischen Isolationsmaterial ausgekleidet, um eine
Wärmeübertragung zwischen den inneren und äußeren Oberflächen davon zu verhindern.
Der untere Abschnitt ist vorzugsweise so eingerichtet, daß er in v$rksamet 'eise
die Wäre zwischen den inneren und den äußeren Oberflächen davon überträgt. Die Wärmeübertragungsrippen
65 sollen eine Verteilung der Wärme von der äußeren Oberfläche unterstützeci,
i
Die
Leitungsvorrichtungen 39 und 43, die überschüssigen Brennstoff und Oxydationsmittel
vom Brennstoffelement zum Brenner führen, sind mit den Wärmeübertragungsteilen 67
und 69 innerhalb des oberen Abschnittes des inneren Hauptteiles ausgerüstet. Die
Leitungsvorrichtung 71 führt Reaktionsprodukte vom Brenner und vom Brennstoffelement
zusammen mit anderen Gasen, die im Reformat mitgerissen werden können (beispielsweise
Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd, Kohlenwasserstoff und dgl.) oder im Oxydationsmittel
mitgerissen werden (beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxyd und dgl.) zu dem oberen
Abschnitt des inneren Hauptteils. Vom Brennerabgas wird Wärme auf den Brennstoff
und auf das Oxydationsmittel übertragen, die dem Brenner zugeführt werden. Ein Teil
des im Brennerabgas vorhandenen Wasserdampfes kann auf den Wärmeübertragungsteilen
der Leitungsvorrichtung innerhalb des inneren Hauptteiles kondensieren.
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Eine Leitungsvorrichtung 73 ist im unteren Abschnitt des inneren Hauptteils
vorgesehen, um den unkondensierten Teil des Brennerabgases herauszutreiben. Während
ein Teil des im Brennerabgas vorhandenen Wasserdampfes im oberen Abschnitt kondensiert
wird, wird der Ilauptteil des Wasserdampfes aus dem Brennerabgas im unteren Abschnitt
kondensiert. Ein Gebläse 75 und eine Röhrenvorrichtung 77 sind mit dem äußeren Hauptteil
verbunden, um Luft in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem unteren Abschnitt zu führen.
Diese besitzen zwei Funktionen: die zugeführte Luft wird erwärmt und ein großer
Teil des im Brennerabgas vorhandenen Wasserdampfes wird innerhalb des unteren Abschnittes
kondensiert.
Das Kondensat wird im inneren Hauptteil
bei 79 gesammelt. Die Wasserzufuhr-Leitungsvorrichtung
dem inneren Hauptteil verbunden, um das Kondensat aufzunehmen.
Bei den meisten Temperatur-und Feuchtigkeitsbedingungen wird
genügend Wasser
kondensiert, um das bei der Reformierung ver-
brauchte Wasser wieder aufzufüllen.
Unter solchen Bedinungen kann das Wasser aus dem System für andere Zwecke
entnommen werden. Für diesen Zweck ist eine Leitungsvorrichtung
76 und
eine Ventilvorrichtung 78 vorhanden.
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Die erwärmte Luft wird aus dem äußeren Hauptteil bei 81 abgeführt.
Die erwärmte Luft kann in die Atmosphäre abgeführt werden. Vorzugsweise wird
diese warme Luft jedoch als die Ozydationsmittelzufuhr für das Brennstoffelement
verwendet. Die
Ventilvorrichtung 83 ist vorgesehen, die Entlüftungsrate der
Luft
in die Atmosphäre zu steuern und die Leitungsvorrichtung
37 ist in Luftempfangsbeziehung
verbunden.
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KonzentrierterPhosphorsäureelektrolyt tendiert bei Raum-
temperaturen
dazu,viskos zu werden. Deshalb ist- es in manchen
Fällen von Vorteil, beim
Abschalten des Brennstoffelements die
Phospohorsäure zu verdünnen. Es ist
unwichtig, ob die Phosphor-
säure vor oder nach der Entfernung der elektrischen
Ladung ver-
dünnt wird. Jedoch wird die Phosphorsäure vorzugsweise verdünnt
bevor
sie sich ausreichend abgekühlt hat, um viskos zu werden.
Zu diesem Zweck ist
eine Leitungsvorrichtung 80 vorhanden, die
sich von der Wasserzufuhr-Leitungsvorrichtung
21 abzwe :t. Diese
Leitung wird durch die Ventilvorrichtung
82 gesteuert, die eine
Zuführung von Wasser zu dem Wär®eaustauseher 25 zwecks
Verdünnung des Elektrolyten ermöglicht. Wenn das Brennstoffelement abgeschaltet
wird, ist die Phosphorsäure genügend verdünnt, u= leicht zirkuliert zu werden. Zu
gleicher Zeit macht überschüssi-ges Wasser im Elektrolyt keine Schwierigkeiten,
das Brennstoff-
element in Betrieb zu setzen. Das überschüssige Wasser wird
vom
Elektrolyten abgeleitet und wird vom Brennstoffelement in
Form von Wasserdampf
abgegeben, da sich das Brennstoffelement in bezug auf die Elektrolytkonzentration
selbst reguliert.
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In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes System zur Erzeugung von elektrischer
Energie dargestellt, das dem System in Fig. 1 ähnelt, bei dem jedoch im Brennstoffelement
1A eine freie
wässerige alkalische Elektrolytvorrichtung 5A
verwendet wird.
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Identische Teile der beiden in Fig. i und 2 dargestellten Systeme
sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Kaliushydroxyd ist ein
typischer und bevorzugt verwendeter freier
wässeriger alkalischer Elektrolyt
für das Brennstoffelement.
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Kaliumhydroxyd ist gegenüber kleinen Konzentrationen an
Kohlenmonoxyd
höchst empfindlich. Dementsprechend ist das Brennstoffelement mit einer modifizierten
Wasserstoffkammer-Vorrichtung 3A versehen, die eine Wasserstoffdiffusionsbarriere
85 enthält. Die Diffusionsbarriere erlaubt selektiv das Ein- und
Durchdringen
von Wasserstoff, während sie das Eindringen von anderen Gasen verhindert. Herkömmliche
Diffusionsbarrieren
sind aus Palladium oder Palladiumlegierungen
in dünner Blatt-
oder Folienform konstruiert.
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Brennstoffelemente mit einem wässerigen alkalischen Elektrolyten
werden in allgemeinen bei relativ hohen Tempera- turen betrieben beispielsweise
bis zu Temperaturen von an- nähernd 2600C. Dementsprechend ist das
erfindungsgemäße Re-
formierungssysten zur Erzeugung von Wasserstoff und für
die
Zirkulierung des Elektrolyten in wesentlichen mit dem in Fig. i dargestellten
System identisch. Es unterscheidet sich von diesem lediglich durch den Einschluß
einer herkömmlichen
Kohlenmonoxyd-Reduzierungsvorrichtung 87. Die Vorrichtung
zur Reduzierung des Kohlenmonoxyds in Wasserstoffstrom wird des-
halb
verwendet, weil Kohlenmonoxyd dazu neigt, den in der Anode eingebauten Elektrokatalysator
zu vergiften. In Fig. 1 ist keine Kohlenmonoxyd reduzierende Vorrichtung dargestellt,
da Brennstoffelemente mit Phosphorsäureelektrolyt gegenüber einer Vergiftung durch
Kohlenmonoxyd widerstandsfähig sind. Andere Arten von sauren Elektrolyten sind gegenüber
der Kohlenmonoxydvergiftung empfindlicher, während alkalische Elektrolyten gegen-über
der Kohlenmonoxydvergiftung sehr empfindlich sind. Jede
der herkömmlichen
Vorrichtungen zur Reduzierung des Kohlenmonoxydgehaltes kann verwendet werden. Ein
bevorzugtes Gerät ist die Kohlenmonoxyd-Verstellvorrichtung, (carbon monoMid shifter)
die Kohlenmonoxyd mit Wasser umsetzt und Kohlendioxyd
und Wasserstoff bildet.
Eine andere verwendbarer@Mri.@htung
ist der Methanator.
Diese Vorrichtung setzt Kohlenmonoxyd mit
Wasserstoff um
und erzeugt Methan und Wasser. Falls erwünscht
können mehrere Kohlenmonoxyd-reduzierende
Vorrichtungen des
gleichen oder von verschiedenem Charakter in Serie verwendet
werden.
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Der Wasserstoffstrom, der durch die Leitungsvorrichtung 33
in die Wasserstoffkammer-Vorrichtung hineinkommt, enthält
Wasserstoff,
Wasßerdampf, Methan, Kohlendioxyd und geringe
Mengen an-Kohlenmonoxyd.
Der eintretende Strom ist von-der Anode durch die Diffusionsbarriere getrennt.
Der vorhandene
Wasserstoff diffundiert durch die Barriere und ist frei, um
an
der Anode zu reagieren.
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Die Reforsatteile, die nicht durch die Diffusionsbarriere
durchdringen,
werden durch die Leitungsvorrichtung 39 zum Bren-
ner zirkuliert. Es bleiben
genügend Wasserstoff und verbrenn-
bare Reformatverunreinigungen
in den Teil des Beformats zurück,
der nicht durch die Diffusionsbarriere
durchdringt, so daß
diese stromabwärts vom Brennstoffelement verbrannt werden
kön-
nen.
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Falls erwünscht, kann die Ozydationsmittelzufuhr
zum Brenn-
stoffelement und die im System nach Fig. i verwendete
Wasser-
wiedergewinnungsvorrichtung auch im System nach Fig.
2 verwen-
det Werden. In Fig. 2 wird eine modifizierte Wasserwiedergewinnungseinheit
53A dargestellt, um eine alternative strukturelle
Anordnung zu zeigen,
die in den Systemen nach Fig. 1 und nach
Fig. 2 verwendet
werden kann. Diese Einheit unterscheidet sich von der Einheit 53 dadurch, daß die
Leitungsvorrichtung 43 für überschüssiges Oxydationsmittel fehlt. Das Oxydationsmittel
wird zum Brennstoffelement 1A durch die Oxydationsmittel-Leitungsvorrichtung
37A zugeführt, die eine Kohlendioxyd-Reduzierungsvorrichtung 91 besitzt. Diese ist
als ein fakultativer Bestandteil davon eingeschlossen. Überschüssiges Oxydations-mittel
wird nach Verlassen der Oxydationsmittelkammer-Vorrichtung bei 93 in die Atmosphäre
abgeleitet. Das Oxydationsmittel wird bei 95 dem Brenner zugeführt. Es ist nicht
nötig, irgendwelche Leitungen vorzusehen, die das Oxydationsmittel dem Brenner zuführen,
da der Brenner so konstruiert sein kann, daß er die notwendige Menge an Oxydationsmittel
aus der Luft ansaugt.
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Das in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße System ähnelt
dem in Fig. i dargestellten System. Es unterscheidet sich je-
doch
von diesem durch die Verwendung eines Brennstoffelementes iB mit einem festgelegten
Elektrolyten (immobilized electrolyte) Der festgelegte Elektrolyt kann aus einer
Säure oder einer Base bestehen, die durch kapillare Kräfte in einer porösen Matrix
festgehalten wird. Der festgelegte Elektrolyt kann alternativ ein Ionenaustauscherharz
sein. Brennstoffelemente, die solche Elektrolyte verwenden, sind wohl bekannt
und werden in
typischer Weise bei Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur
bis
930C betrieben. Dieses Brennstoffelement unterscheidet sich vom Brennstoffelement
1 dadurch, daß die Wärme von der Elektrolytvorrichtung zum Wärmeaustauscher 25 übertragen
wird.
indem ein Kühlmittel durch die Leitungsvorrichtung 27a zirkuliert
wird. Das i= Gemini Raumschiff verwendete Brennstoffelement ist ein Beispiel eines
geeigneten herkömmlichen Brennstoffelements, das eine Wärmeübertragung vom Elektrolyten
mittels der Zirkulation eines Kühlmittels ermöglicht.
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Die Übertragung von Wärme aus dem Reformat, das von der Wasserstoffkammer-Vorrichtung
durch die Leitungsvorrichtung 33A zirkuliert wird, auf das Wasser und auf den reformierbaren
Brennstoff wird im Austauscher 35A erreicht. Der Wärmeaustauscher 35A wird dargestellt,
um lediglich eine alternative Form eines Wärmeaustausches 35 zu zeigen. Der Wärmeaustauscher
35A unterscheidet sich vom Wärmeaustauscher 35 dadurch, daß der hereinkommende Brennstoff
und das Wasser innerhalb des Wärmeaustauschers vermischt werden. Der kombinierte
Brennstoff und Wasserstrom wird dem Reformer durch die Leitungsvorrichtung 97 zugeführt.
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Stromabwärts vom Wärmeaustauscher 35A wird das Reformat durch
die Kohlenmonoxyd-Reduziervorrichtung 87 durchgeführt und dann durch einen Wärmeaustauscher
99. Zweck des Wärmeaustauschers ist die Temperatur des Reformats zu reduzieren,
damit
dieses der Temperatur des Drennstoff elements näherkommt. Eine Luftleitung
103 mit einem Gebläse 101 soll eine indirekte Wärmeübertragung der Luft bewirken.
Die erwärmte Lust wirr, bei
105 abgeleitet.
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Der Wärmeaustauscher 99 ist ein fakultatives Element. Er kann weggelassen
werden, wenn die Kohlenmonoxyd-Reduziervorrichtung 87 stromaufwärts vom Wärmeaustauscher
35A zwischen dem Reformer und dem Wärmeaustauscher angebracht ist. Der Wärmeaustauscher
99 würde dennoch eine nützliche Funktion besitzen, indem er die. Temperatur des
Reformats kontrolliert, selbst wenn die Kohlenmonoxyd-Reduziervorrichtung wieder
angebracht wird.
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Die Oxydationsmittelzufuhr und die Wasserwiedergewinnungs-Vorrichtung,
die im erfindungsgemäßen System nach Fig. 3 verwendet werden, sind im wesentlichen
identisch mit
dem System nach Fig. 1'. Der Einschluß einer Befeuchtungsvorrichtung
107 ist jedoch ein wesentlicher Unterschied. Brennstoffelemente mit einem festgelegten
Elektrolyten sind gegenüber einem Wasserverlust empfindlicher als Brennstoffelemente
mit einem freien wässerigen Elektrolyten. Um Wasserverluste zu verhindern,
muß sichergestellt werden, daß die Feuchtigkeit der Reaktionsmittelatröme
einer Sättigung nahe kommt. Selbst wenn die der Wasserwiedergewinnungseinheit 53
zugeführte Luft anfängliche eine Feuchtigkeit von 100% besitzt, besitzt die Luft,
die die Wasserwiedergewinnungseinheit verläßt und durch die Leitungsvorri:._=htung
| 37 zu der Oxydationsmittelkammer-Vorrichtung _.e.ühxt wird, |
| nicht das gleiche hohe Feaachtigkeitsnivevu. Dar Grund dafür
ist, |
| daß die Lift in der Wasserw :ip seinheit erhitzt wird |
und daher beim Abgang mehr Wasser in Dampfform
gehalten wird
als beim Eingang. Damit sichergestellt wird, daß genügend
Was-
ser in der Befeuchtungsvorrichtung
zu allen Zeitpunkten vorhan-
den
ist,. wird eine Leitungsvorrichtung 109, die eine Stromkontrollvorrichtung
111 besitzt, zwischen der Wasserzufuhr-Leitungsvorrichtung
21 und der
Befeuchtungsvorrichtung
einge-
setzt.
In Fig.
4 ist ein erfindungsgemäßes
System dargestellt,
daß dem in Fig.
1 dargestellten erfindungsgemäßen
System
ähnlich ist, sich jedoch von diesem durch die Verwendung eines
Brennstoffelements
IC
unterscheidet, das eine Elektrolytvorrichtung
5C mit einem freien wässerigen
sauren Elektrolyten be-
nutzt, die bei Temperaturen von Raumtemperatur bis
zu etwa
930C
betrieben wird. Brennstoffelemente mit Schwefelsäureelektrolyten
werden beispielsweise als herkömmliche
Brennstoffele-
mente dieser
Art verwendet. Das System für die Zirkulierung
des Elektrolyten und für die
Abführung der Wärme auf das Wasser
und auf den reformierbaren
Brennstoff ähnelt im wesentlichen
dem in Fig. i
dargestellten System.
Ein Unterschied besteht
darin, daß eine Säurekonditionierungsvorrichtung
113 zusätzlich
angebracht wird. Diese bekannten Vorrichtungen dienen der
Über-
wachung und der Einstellung
der Säurestärke als auch der Ent-
fernung
von festgestellten Verunreinigungen.
Die Wasserwiedergewinnungseinheit,
der Reformer und die
Vorrichtung zur Behandlung des Reformats
zwischen dem Reformer
und der Wasserstoffkammer-Vorrichtung
entsprechen den in Fig.
3
dargestellten Einheiten.
Als eine alternative Vorrichtung für die Kondensierung eines Teils des Wasserdampfes,
der als Reaktionsprodukt vom Brennstoffelement gebildet wird, wird eine Leitungsvorrichtung
43 mit einem direkten Wärmeaustauscher 115 angebracht. Die Leitungsvorrichtung.117
und das Gebläse
119
füllen umgebende Luft zu und mischen diese direkt mit
dem überschüssigen Oxydationsmittel und dem Reaktionsprodukten aus der Oxydationsmittelkammer-Vorrichtung.
Dadurch wird der Abgasstrom gekühlt und mindestens ein Teil des vorhandenen Wasserdampfes
kondensiert. Die Leitungsvorrichtung 121 führt das Kondensat vom Wärmeaustauscher
zu der Wasserzufuhr-Leitungsvorrichtung .21. Der Wärmeaustauscher 115 ist ein fakultatives
Element des erfindungsgemäßen Systems.
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In den Fig. 1 bis 4 wurden bevorzugte Ausführungsformen
des
erfindungsgemäßen Systems mit einigen Alternativen beschrieben. Die Systeme können
jedoch weiterhin modifiziert werden.
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Die gezeigten Brennstoffelemente arbeiten mit Luft. Die Brenn-stoffelemente
können alternativ auch mit einem anderen herkömm-
lichen Oxydationsmittel
betrieben werden. Im erfindungsgemäßen
System nach Fig. 1 kann das dadurch erreicht
werden, daß die Leitungsvorrichtung 37 mit einer separaten Oxydationsmittelquelle
verbunden wird. In einigen System kann die umgebende Luft verwendet werden,
indem man sich für die Zirkulation die natürlichen Konvektionaluftströme
zunutze macht. In einem sol-
chen Fall kann die Ogydationsmittelkammer-Vorrichtung
für das
Brennstoffelement weggelassen werden. Die für die verschiedenen
Wärmeaustauscherfunktionen
verwendete Luft wird dann getrennt
verwendet von der Luft, die als Reaktionsmittel
für das Brenn-
stoffelement Benutzung findet. Während die gezeigte Befeuchtungs.-vorrichtung
eine Leitungsvorrichtung besitzt, um eine Wasser-zirkulation zu ihr zu erlauben,
jedoch ist dies nicht notwen-
dig. Die Befeuchtungsvorrichtung
kann mit einem Wasservorrats-
tank versehen werden, wodurch eine kontinuierliche
Zugabe von
Wasser nicht mehr notwendig ist. Es können auch zusätzliche
Pump-
und Strömungsregulierungs-Vorrichtungen verwendet werden.
In bestimmten
Fällen können auch eine oder mehrere Pumpvorrichtungen und Ventilvorrichtungen
weggelassen werden. Im angege-
benen Beispiel ist die Wasserwiedergewinnungseinheit
über dem
Reformer angebracht, es kann aber auch eine Pumpvorriehtung
angebracht werden.
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In dem Verfahren nach der Erfindung wird ein Wasserstoff- strom
für die Oxydation vorzugsweise in einem Brennstoffelement erzeugt
und kein Wasserstoff direkt eingespeist. Der Wasser-
stoffstrom wird vorzugsweise
durch die Reformierung einer Mi-
schung aus Wasser und einem billigen
reformierbaren Brennstoff
wie beispielsweise Kohlenwasserstoff oder Alkohol
erzeugt.
Wirtschaftliche Überlegungen führen zur Verwendung von flüssi-
gen
Kohlenwasserstoffon, insbesondere von denen, die ein annäherndes Molekulargewicht
besitzen, das niedriger ist als das
Molokulargewicht von Eieosan.
Besonders bevorzugt Werden Kohlenwasserstoffe, die ein durchschnittliches
Molekulargewicht besitzen, das niedriger liegt als das Molekulargewicht
von
Dodecan und zwar wegen ihrer großen Reaktionsfähigkeit. Die
Kohlenwasserstoffe
der Alkan- und Alkenserien werden bevorzut:1, verwendet.
Der Schwefelgehalt des Brennstoffes sollte geringer
sein als 4000 ppm
und vorzugsweise geringer als 1000 ppa. Als
besonders vorteilhaft hat es
sich erwiesen, Brennstoffe mit
einem Schwefelgehalt von weniger als 40
ppm'zu verwenden. Es
können die verschiedensten im Handel
erhältlichen Kohlenwasser-
stoffe verwendet werden (vom Bunker
C Rohöl bis im Handel er-
hältliche Benzine, LPG und Naturgase). In manchen
Anwendungs-
fällen, in denen die Wiedergewinnung von Wasser wichtiger ist
als
die Brennstoffkosten, können ein oder mehrere Alkoholderi-
vate der oben
erwähnten Kohlenwasserstoffe verwendet werden.
Die Alkohole besitzen den
Vorteil, daß sie etwas größere Mengen
an Wasser bilden, während sie bei der
Reformierung etwa klei-
nere Mengen an Wasser verbrauchen. Dadurch sind die
Wasserwie-
dergewinnungsverfahren nicht so wichtig, wie sie bei der Ver-
wendung
von Kohlenwasserstoffen erforderlich sind. Kohlenwasser-
stoffe und
Alkohole werden bevorzugt im Verfahren nach der Er-
findung verwendet, es
kann jedoch jeder reformierbare Brennstoff
verwendet werden. Als
"reformierbar" wird jeder Brennstoff be-
zeichnet, der mit Wasser reagieren
und Wasserstoff erzeugen kann.
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Das beim Reformieren verwendete Wasser kann frisch oder salzig
sein und ist vorzugsweise Leitungswasser. Das Verhgltnio von Wasser zu Kohlenwasserstoff
sollte bei 2,71 bis 6,45 Mole-, kble Wasser je Kohlenstoffatom
liegen, um eine maximale Aus-
nutzung des Brennstoffes. zu ermöglichen,
obgleich etwas niedri-
gere Verhältnisse bei der Verwendung von Alkoholen
eingesetzt
werden können. Das Wasser und der Brennstoff
können zur Erzeu-
gung von Wasserstoff in jedem bekannten Gerät umgesetzt
werden.
Der Kohlenwasserstoff oder der Alkohol und das Wasser werden
vorzugsweise
in Gegenwart eines reformierenden Katalysators
bei Temperaturen von 430 bis
7600C und bei annähernd atmosphä-
rischem Druck umgesetzt. Wird der Druck
verändert, dann ist
eine entsprechende Veränderung der Reformierungstemperaturen
zu erwarten. Um die Nachteile zu vermeiden, die beim Arbeiten mit hohen
Drucken entstehen, wird das Beschickungsmaterial
unter einen minimalen positiven
Druck, der mit der erwünsch-
ten Beschickungsmaterialrate übereinstimmt,
gehalten. Bei dem
im Handel erhältlichen Reformierungsvorrichtungen
wird mehr
Wasser beim Reformieren verbraucht - d.h. im Beschickungsmate-
rial
eingebaut - als tatsächlich mit dem Brennstoff reagiert.
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Das Reformat kann auch chemisch modifiziert werden. Bei
der
katalytischen Reformierung von Wasser und Kohlenwasserstoffoder Alkoholmischungen
besteht das Reformat aus Wasser-
stoff, Wasserdampf, Kohlendioxyd,
Kohlenmonoxyd, Methan, Spurenmengen von Verunreinigungen und verschiedene
Kohlenwasser-
stoffe oder Alkohole. Außer bei Brennstoffelementen mit
Phosphorsäureelektrolyten
ist es notwendig, den Kohlenmonoxyd-
gehalt des Reformats
zu reduzieren. Bestimmte Brennstoffelementarten sind empfindlicher gegenüber
Kohlenmonoxyd als andere.
Die erlaubten genauen Mengen an Kohlenmonoxyd
im Wasserstoff-
strom, der der Brennstoffelement zugeführt wird, hängen
von
der besonderen Art der Elektroden und des Elektrolyten als
auch
von der gewählten Temperatur ab. Zur Reduzierung des Kohlenmonoxydgehalts im Reformat
werden zwei herkömmliche Methoden verwendet. Bei der einen Methode wird das Kohlenmonoxyd
und der im Strom vorhandene Wasserstoff in der Gegenwart eines Katalysators umgesetzt
und zu Methan und Wasser umgewandelt. Diese als Methanation bezeichnete Reaktion
wird bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 2300C durchgeführt. Die andere Methodik
wird als Kohlenmonoxyd-Shifting bezeichnet. Bei dieser Methodik werden Kohlenmonoxyd
und Wasser in der Gegenwart eines Katalysators umgesetzt und erzeugen Wasserstoff
und Kohlendioxyd. Das Verfahren wird bei Temperaturen im Bereich von 200 b1s 4000C
durchgeführt. Es ist auch eine zusätzliche Reinigung des Reformats nach herkömmlichen
Verfahren möglich.
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Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird das Oxydationsmittel
der Kathode des Brennstoffelements zugeführt und der Wasserstoff aus dem Reformat
zu der Anode des Brennstoffelements geführt. Man erhält von dem Brennstoff-
element
eine elektrische Energie, indem eine elektrische La-dung zwischen der Anode und
der Kathode anschließt. Ur das
Brennstoffelement vor thermischen Überbeanspruchen
(thermal
stressec) zu schützen, wird die Temperatur der Reaktionsmittel
mit
der Temperatur des Brennstoffelementes teilweise ins Gleichgewicht
gebracht. Im Falle des Reformats ist es notwendig,
Wärme zu
entfernen, um ein Gleichgewicht zu erhalten. Vorzugsweise wird Wärme vom
Reforsat: stromaufwärts vor Brennstoffelement auf das Wasser und/oder
auf den reformierbaren Brennstoff
der dem Reformer
zugeführt wird, abgeleitet. Bei Brennstoffelementen, die bei einer Temperatur unter
etwa 930C arbeiten, wird ein Teil der Wärme aus dem Reformat in die Atmosphäre abgeleitet.
Ein ins Gleichgewicht bringendes Oxydationsmittel mit
dem Brennstoffelement
wird dadurch erreicht, daß dem-Oxydationsmittel stromaufwärts vom Brennstoffelement
Wärme zugesetzt
wird. Die dem Oxydationsmittel zugesetzte Wärme kann die vom
Reformat abgeleitete Wärme sein. Ein. besonders bevorzugtes Verfahren zum Erwärmen
des Oxydationsmittels wird im folgenden beschrieben. Bei der Verwendung wird
das Brennstoffelement aufgrund innerer Widerstandsenergieverluste in der Elektrolyt-Vorrichtung
und aufgrund der Polarisation an den Elektroden er-
wärmt. Um eine Überhitzung
zu verhindern, muß die Wärme von
der Elektrolytvorrichtung abgeführt werden.
Um dies zu erreichen, wird-der Elektrolyt oder ein Kühlmittel in Wärmeübertragungsbeziehung
mit dem Elektrolyten zirkuliert. Vorzugsweise wird Wärme vom Elektrolyten
des Brennstoffelements auf das
Wasser und/oder auf die Brennstoffmischung,
die dem Reformer
zugeführt wird, abgeleitet.
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Um einen möglichst wirksamen Betrieb des Brennstoffelemen-
tes
zu erreichen, werden Brennstoff und Oxydationamittel im
$berschuß
über die verbrauchte Menge zugeführt. Der überschUssige Brennstoff und
das überschüssige Oxydationamitel werden
vorsugsweisei`f@ärmeübertragungsbeziehungen
mit dem Reformer
einer Verbrennnngezone zugeführt. Der überschüssige
Brennstoff
und das UberschUssige Oxydationsmittel werden ezotherm
kombi-
niert nm den Reformer zu erwärmen. Der Verbrennungszone
kann
auch Brennstoff zusätzlich zu dem überschüssigen
Brennstoff, der vom Brennstoffelement erhalten wird, zugesetzt werden. In manchen
Fällen ist es notwendig, das überschüssige Oxydationsmittel vom Brennstoffelement
in die Atmosphäre abzuführen und das Oxydationsmittel separat in die Verbrennungszone
zu leiten. Wenn das Brennstoffelement nur geringe oder überhaupt keine Mengen an
elektrischer Energie liefert, dann kann die vom Brennstoffelement erhaltene überschüssige
Brennstoffmenge höher sein als für die Erwärmung des Reformers notwendig ist.
In
einem solchen Fall kann ein Teil des überschüssigen Brennstof-fes
stromaufwärts vom Reformer zu dem reformierbä.ren Brennstoff
rezirkuliert
werden. Dadurch wird der vom Brennstoffelement
nicht gebrauchte Brennstoff
gespart und die dem Reformer zusätzlich zugeführte Menge an refo°mierbarem Brennstoff
erniedrigt.
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Um Wasser wiederzugewinnen und-eine maximale thermische Wirksamkeit
zu erreichen, ist es notwendig, die Verbrennungsprodukte und die mitgerissenen Gase,
die die Verbrennungszone verlassen, zu kühlen. Wegen der thermischen Wirksamkeit
wird
die Wärme von den Verbrennungsprodukten auf das überschüssige
Oxydationsmittel und auf den überschüssigen Brennstoff, die
der Verbrennungszone
zugeführt werden, übertragen. Dadurch kann zumindestens ein Teil des in
den Verbrennungsprodukten vorhan-
denen Wasserdampfes- kondensiert
werden. Um zusätzliches Wasser aus den Verbrennungsprodukten
zu gewinnen, wird die Wärme vor-
zugsweise von den Verbrennungsprodukten
auf einen kühlenden Luftstrom übertragen. Dieser Luftstrom kann
nach Erwärmung als ,
Ozydationsmittelquelle für das Brennstoffelement
verwendet wer-
den. Zumindestens ein Teil des Wassers, das aus den
Verbrennungs. produkten kondensiert wird, kann in den Reformer eingespeist
werden,
um das beim Reformieren verbrauchte Wasser wieder aufzu-
füllen. Bei den Anwendungsfällen,
bei denen überschüssiges
Oxydationsmittel, überschüssiger Brennstoff, und
Reaktionspro-
dukte vom Brennstoffelement in die Verbrennungszone eingespeist
werden,
wird die Kondensation der Verbrennungsprodukte sowohl
der Wässerdampf,
der als ein Reaktionsprodukt im Brennstoff-
element gebildet wird als auch
den Wasserdampf in der Verbren-
nungszone kondensieren. Daher kann der als
Reaktionsprodukt
im Brennstoffelement gebildete Wasserdampf auch eventuell
"
separat kondensiert werden.
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Im Folgenden wird das Verfahren nach der Erfindung in
einem
spezifischen Beispiel erläutert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einem System wie in
Fig. 1 dargestellt, durchgeführt. Das Brennstoffelement 1
enthielt eine
Elektrovorrichtung 5, wobei ein Abstand von
1,59 mm zwischen jeder Anode
und jeder Kathode vorhanden war.
Der Elektrolyt bestand aus einer 92,4 gewichtsprozentigen
Phosphorsäure,
die während der Verwendung des Brennstoffelemen-
tes sui eine Temperatur
von 15000 gehalten wurde. Die verwen-
deten Elektroden sind in der
US-Anmeldung 232,659 beschrieben.
Jede Anode war mit einer Platinkatalysatorladung
von 3 mg/cm 2
2 und jede Kathode mit einer Platinkatalysatorladung
von 37 mg/cm versehen.. Die Elektroden besaßen eine aktive Oberfläche von 25,4 cm
an einer Seite oder 645 cm 2. Das verwendete Brennstoffelement war aus einem
Stapel von 152 einzelnen Zellen zusammengesetzt. Das Brennstoffelement erzeugte
eine elektrische Energie von 3,5 kw, die einer äußeren elektrischen Ladung zugeführt
werden konnte, während 3,75 kw an Energie in Form von Wärme abgegeben wurde.
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Das der Brennstoffquellen-Vorrichtung 13 zugeführte Beschickungsmaterial
bestand aus JP-4, das ein dem Nonan ähnliches Kohlenstoff-Wasserstoffverhältnis
besaß. Der Brennstoff enthielt 80 ppm Schwefel. Der Brennstoff wurde dem Reformer
bei Umgebungstemperatur (210C) in einer Rate von 5,32 gr Mol je Stunde zugeführt.
Wasser wurde dem Reformer bei einer anfänglichen Temperatur von 460C in einer Rate
von 223,4 gr Mol je Stunde zugeführt.
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Die Phosphorsäure wurde durch die Leitungsvorrichtung 27 zu dem Wärmeaustauscher
25 bei einer Temperatur von 1500C zirkuliert und dann bei einer Temperatur von 1400C
zu der Elektrolytvorrichtung zugeführt. Der Brennstoff und der Was-
serstrom
verließen den Wärmeaustauscher 25 bei einer Temperatur
von 1210C.
Der Reformer 19 wurde bei einer Betriebstemperatur
von 6500C
gehalten. Der Reformer besaß einen herkömmlichen Ka-
talysator (Institute
of Gas Technology), der ein Reformat lieferte, das im wesentlichen aus 126,5 gr
Mol /Stunde Wasserstoff
(das sind 30% im Überschuß über die Erfordernisse
des Brennstoffelements), 13,1 gr MolfStunde Kohlenmonoxyd, 33,3 gr Molf Stunde Kohlendioxyd,
1,4 gr MoljStunde Methan und 143,8 gr Mo1/Stunde Wasserdampfbestand. Das Reformat
wurde bei einer Temperatur von 650°C durch die Leitungsvorrichtung 33 zum Wärmeaustauscher
35 geführt. Das Reformat verließ den Wärmeaustauscher bei einer Temperatur von 150°C,
während das Wasser in der Leitungsvorrichtung 21 in Form von Dampf bei 540°C abging
und der Brennstoff in der Leitungsvorrichtung 15 bei 260°C abging.
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Der überschüssige Brennstoff und die mitgerissenen Gase aus dem Reformator
verließen die Wasserstoffkammer-Vorrichtung 3 des Brennstoffelements bei einer Temperatur
von 150°C. Deren Temperatur wurde in der Wasserwiedergewinnungseinheit auf 540°C
erhöht. Gleichzeitig wurde Sauerstoff aus Luft zu der Oxydationskammer-Vorrichtung
7 des Brennstoffelements bei einer Strömungsrate von 100 gr Mol je Stunde zugeführt
(die doppelte Verbrauchsrate des Brennstoffelements). Die überschüssige Luft wurde
zusammen mit den Brennstoffelement-Reaktionsprodukten durch die Leitungsvorrichtung
43 bei einer Temperatur von 150°C zu der Waeserwiedergewinnungseinheit zugeführt.
Das überschüssige Oxydationsmittel wurde bei einer Temperatur von 540°C
aus der Wannerwiedergewinnungseinheit zu dem Brenner gef ührt .
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Die Flammentemperatur den Brenners 41 lag bei 1010°C
und
die Verbrennungsprodukte und die mitgerissenen
Gase verließen
den Brenner durch die Leitungsvorrichtung
71 bei einer Temperatur von 680°C. Das Brennerabgas enthielt 272,1 gr Mol/Stunde
Wasserdampf, 47,8 gr Mol/Stunde Kohlendioxyd, 376 gr Mol/Stunde Stickstoff und 26,6
gr Mol/Stunde Sauerstoff. Das durch die Leitungsvorrichtung abgehende Gas enthielt
26,6 gr Mol/Stunde Sauerstoff, 47,8 gr Mol/Stunde Kohlendioxyd, 376 gr Mol/Stunde
Stickstoff und 48,7 gr Mol/Stunde Wasserdampf. Die Differenz zwischen dem Wasserdampf,
der im Brennerabgas zugeführt wird und dem Wasserdampf, der durch die Leitungsvorrichtung
73 abgeführt wird, ist das kondensierte Wasser, das das verbrauchte Wasser im Reformer
wieder auffüllt. Die Temperatur des durch die Leitungsvorrichtung 73 abgeführten
Gases liegt bei 46,0°C.
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Das erfindungsgemäße System erfordert keine äußere Anwendung von Wasser.
Der gesamte thermische Wirkungsgrad liegt bei 43%.