DE1993970U - FUEL CELL. - Google Patents

FUEL CELL.

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DE1993970U
DE1993970U DEA27662U DEA0027662U DE1993970U DE 1993970 U DE1993970 U DE 1993970U DE A27662 U DEA27662 U DE A27662U DE A0027662 U DEA0027662 U DE A0027662U DE 1993970 U DE1993970 U DE 1993970U
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Description

Die Neuerung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Elektrolytkammer mit Anode und Kathode, die durch eine wasserstoffdurchlässige Membran in der Anode von einer Umwandlungszone abgetrennt ist, in der ein Nickel-Umwandlungskatalysator angeordnet ist.The innovation relates to a fuel cell with an electrolyte chamber with anode and cathode, which is separated by a hydrogen-permeable membrane in the anode from a conversion zone in which a nickel conversion catalyst is arranged.

Bei Brennstoffzellen, wie sie in dem U.S. Government Report No. AD 613031 beschrieben sind, der sich auf eine Entwicklung von Brennstoffzellen mit flüssigem Kohlenwasserstoff bezieht, wird eine Mischung aus einem Kohlenstoff enthaltenden Brennstoff und Dampf in eine Umwandlungszone eingeleitet, die in der Brennstoffzelle angeordnet ist, um Wasserstoff zu erzeugen, der sodann in den Elektrolyten durch geeignete Einrichtungen für eine elektrochemische Reaktion in der Zelle geleitet wird. Im allgemeinen enthält der Umformungskatalysator, der innerhalb der Umformungszone angeordnet ist, in die der Dampf-Kohlenstoff-enthaltende Brennstoff eingeleitet wird, einen Nickelkatalysator, der aufgrund seiner katalytischen Wirksamkeit und seiner verhältnismäßig niedrigen Kosten verwandt wird. Es wurde jedoch festgestellt, dass sich bei Brennstoffzellen Betriebstemperaturen im Bereich von ungefähr 250°C bis ungefähr 550°C der Druckabfall der Dampf-Brennstoffzuführung über den Nickelkatalysator, der in der Umwandlungszone enthalten ist, über längere Zeiträume des Zellenbetriebs hinweg erhöht. Diese Erhöhung des Druckabfalls ist besonders ausgeprägt, wenn das Zuführungsverhältnis von Dampf zu Kohlenstoff-enthaltendem Brennstoff unter 5 Mol Dampf pro Mol Kohlenstoff in dem Brennstoff liegt. Die Verwendung von Kohlenstoff enthaltenden Brennstoffen, die wenigstens zwei Kohlenstoffatome pro Molekül enthalten (z. B. Kohlenwasserstoffe über Methan), ergeben noch einen größeren Anstieg des Druckabfalls über längere Betriebszeiten der Zelle. Wenn z. B. eine Dampf-Propanmischung in eine Umwandlungszone im Verhältnis vonIn fuel cells such as those described in U.S. Government Report No. AD 613031, referring to a development from liquid hydrocarbon fuel cells, a mixture of a carbon containing fuel and steam is introduced into a conversion zone located in the fuel cell to generate hydrogen which is then passed into the electrolyte through suitable means for an electrochemical reaction in the cell will. In general, the reforming catalyst located within the reforming zone into which the steam carbon-containing fuel is introduced contains a nickel catalyst which is used for its catalytic effectiveness and its relatively low cost. It has been found, however, that at fuel cell operating temperatures in the range of about 250 ° C to about 550 ° C, the pressure drop of the steam fuel supply across the nickel catalyst contained in the conversion zone increases over prolonged periods of cell operation. This increase in pressure drop is particularly pronounced when the feed ratio of steam to carbon-containing fuel is below 5 moles of steam per mole of carbon in the fuel. The use of carbon-containing fuels that contain at least two carbon atoms per molecule (e.g., hydrocarbons over methane) result in an even greater increase in pressure drop over extended periods of cell operation. If z. B. a steam-propane mixture in a conversion zone in the ratio of

5 Mol Wasser pro Mol Kohlenstoff eingeführt wird, so erhöht sich der Druckabfall über einen herkömmlichen Nickelkatalysator, wie er in der Umwandlungszone enthalten ist, allmählich auf einen Wert von ungefähr einer Atmosphäre nach annähernd 12 Umwandlungs- bzw. Betriebsstunden bei ungefähr 500°C. Da in dem vorhergehenden Fall die Umwandlung bei annähernd einer Atmosphäre stattfindet, so verhindert die Ausbildung des Druckabfalls in dieser Größe eine weitere Erzeugung von Wasserstoff in der Umwandlungszone. Wenn das Dampf/Kohlenstoffverhältnis verringert wird, so wird festgestellt, dass die Erhöhung des Druckabfalls beschleunigt wird. So erreicht, wenn ein Dampf/Kohlenstoffverhältnis von 3,3 Mol Dampf pro Mol Kohlenstoff verwandt wird, der Druckabfall eine Atmosphäre nach ungefähr 9 Stunden Betriebszeit. Bei einem Dampf zu Kohlenstoffverhältnis von ungefähr 2, erreicht der Druckabfall eine Atmosphäre nach annähernd 4 Stunden Betriebszeit. Wenn das Molekulargewicht des Kohlenwasserstoffbrennstoffes erhöht wird, so erreicht der Druckabfall einen Wert von einer Atmosphäre in beträchtlich geringerer Zeit, und in dem Fall, dass Oktan als Brennstoff und ein Dampf zu Kohlenstoffzuführungsverhältnis von 2,5 verwandt wird, hört die Erzeugung von Wasserstoff nach ungefähr 3 Stunden der Dampfumwandlung bei ungefähr 500°C bei einer Atmosphäre auf.5 moles of water per mole of carbon is introduced, the pressure drop over a conventional nickel catalyst as contained in the conversion zone gradually increases to a value of approximately one atmosphere after approximately 12 hours of conversion or operating at approximately 500 ° C. Since in the previous case the conversion takes place at approximately one atmosphere, the formation of the pressure drop of this magnitude prevents further generation of hydrogen in the conversion zone. When the steam / carbon ratio is decreased, it is found that the increase in pressure drop is accelerated. Thus, if a steam / carbon ratio of 3.3 moles of steam per mole of carbon is used, the pressure drop will reach one atmosphere after approximately 9 hours of operation. With a steam to carbon ratio of approximately 2, the pressure drop will reach one atmosphere in approximately 4 hours of operation. As the molecular weight of the hydrocarbon fuel is increased, the pressure drop reaches one atmosphere in considerably less time, and in the event that octane is used as fuel and a steam to carbon feed ratio of 2.5 is used, hydrogen production ceases after about 3 hours of steam conversion at approximately 500 ° C in one atmosphere.

Da es jedoch für viele Brennstoffzellenanwendungen erforderlich ist, dass die Brennstoffzelle kontinuierlich und zuverlässig über längere Zeiten als 8 oder 10 Std. hinweg arbeiten, besteht die Aufgabe der vorliegenden Neuerung darin, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die kontinuierlich über viele tausend Stunden betriebsfähig ist, wobei der nach kurzer Zeit zum Ausfall der Brennstoffzelle führende Druckabfall vermieden wird.However, since it is necessary for many fuel cell applications that the fuel cell operate continuously and reliably over times longer than 8 or 10 hours, the object of the present innovation is to create a fuel cell that is continuously operational for many thousands of hours, wherein the pressure drop leading to failure of the fuel cell after a short time is avoided.

Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß dadurch gelöst, dass die Teilchen des Katalysators in der Umwandlungszone einen Kern aus feuerfestem Material und eine den Kern umhüllende Nickelschicht umfassen, wobei das feuerfeste Material des Teilchenkernes aus ungefähr 0,5% bis ungefähr 20% eines Alkali- oder Erdalkalimetalloxyds, -hydroxyds oder -carbonats, bezogen auf das Gewicht des Metalls, besteht oder dass die Katalysatorteilchen ein mit Nickel überzogenes Erdalkalioxyd umfassen.This object is achieved according to the invention in that the particles of the catalyst in the conversion zone comprise a core made of refractory material and a nickel layer enveloping the core, the refractory material of the particle core being composed of approximately 0.5% to approximately 20% of an alkali or alkaline earth metal oxide, hydroxide or carbonate, based on the weight of the metal, or that the catalyst particles comprise an alkaline earth oxide coated with nickel.

Dabei wird in die Umwandlungszone mit dem Umwandlungskatalysator eine Mischung aus von 2 bis ungefähr 5 Mol Dampf pro Mol Kohlenstoff in einen kohlenstoffenthaltenden Brennstoff eingeleitet, der wenigstens zwei Kohlenstoffatome pro Molekül enthält, wobei diese Mischung über diesem Umwandlungskatalysator bei einer Temperatur von ungefähr 250°C bis ungefähr 550°C und unter einem Druck von unter ungefähr 10 Atmosphären unter Bildung von Wasserstoff reagiert.A mixture of from 2 to about 5 moles of steam per mole of carbon in a carbon-containing fuel, which has at least two carbon atoms per molecule, is introduced into the conversion zone with the conversion catalyst which mixture reacts over this conversion catalyst at a temperature of about 250 ° C to about 550 ° C and under a pressure of less than about 10 atmospheres to form hydrogen.

Die Kohlenstoff enthaltenden Brennstoffe umfassen Kohlenwasserstoffe, wie etwa z. B. Äthan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan usw.; und Mischungen hiervon; Erdölfraktionen; aliphatische Alkohole einschließlich Äthanol, Propanol, Butanol usw.; verflüssigte Erdölgase und JP-Brennstoffe.The carbon containing fuels include hydrocarbons such as e.g. B. ethane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, octane, etc .; and mixtures thereof; Petroleum fractions; aliphatic alcohols including ethanol, propanol, butanol, etc .; liquefied petroleum gases and JP fuels.

Der verwendete Dampf kann in die Umwandlungszone bei einer beliebigen geeigneten Temperatur, vorzugsweise bei einer Temperatur eingeführt werden, die der Temperatur entspricht, die in der Umwandlungszone der Zelle während des Zellenbetriebes erreicht wird. Vorzugsweise wird der Dampf dem Kohlenwasserstoff enthaltenden Brennstoff zugemischt, um eine geeignete Mischung bereits an einem Punkt vor der Einführung des Dampfes und des Brennstoffes in die Umwandlungszone der Zelle herzustellen.The steam used can be introduced into the conversion zone at any suitable temperature, preferably at a temperature which corresponds to the temperature reached in the conversion zone of the cell during cell operation. Preferably, the steam is admixed with the hydrocarbon-containing fuel in order to produce a suitable mixture at some point prior to the introduction of the steam and the fuel into the conversion zone of the cell.

Die Temperatur, bei der die Umwandlungsreaktion in der Brennstoffzelle durchgeführt wird, kann von ungefähr 250°C bis ungefähr 550°C reichen. Es wurde festgestellt, dass der Zellenbetrieb bei Temperaturen unterhalb von ungefähr 250°C nicht wirksam ist. Bei Temperaturen von über ungefähr 550°C treten Korrosionsprobleme auf, und es wird die Verwendung von teueren Konstruktionsmaterialien erforderlich.The temperature at which the conversion reaction is carried out in the fuel cell can range from about 250 ° C to about 550 ° C. It has been found that cell operation is ineffective at temperatures below about 250 ° C. At temperatures above about 550 ° C, corrosion problems arise and the use of expensive construction materials becomes necessary.

Die optimale Umwandlungstemperatur liegt im Bereich von ungefähr 400°C bis ungefähr 500°C und insbesondere bei ungefähr 450°C.The optimum transition temperature is in the range of about 400 ° C to about 500 ° C, and more particularly about 450 ° C.

Der Druck für die Umwandlungsreaktion kann bis zu ungefähr 10 Atmosphären reichen. Der Betrieb der Zelle bei höheren Drucken, jedoch unterhalb von ungefähr 10 Atmosphären, führt im allgemeinen zur Erzeugung von Wasserstoff unter höheren Partialdrucken der Brennstoffanode. Natürlich bietet sich aus der Sicht eines unkomplizierten Betriebes eine Durchführung der Umwandlungsreaktion bei Atmosphärendruck an.The pressure for the conversion reaction can range up to about 10 atmospheres. Operating the cell at higher pressures, but below about 10 atmospheres, generally results in the production of hydrogen at higher partial pressures of the fuel anode. Of course, from the point of view of uncomplicated operation, it is advisable to carry out the conversion reaction at atmospheric pressure.

Beispiele für geeignete feuerbeständige Materialien sind Silica, Kieselgur, Zirkonerde, Aluminiumoxyd, Naturtone, Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd, Metallcarbide einschließlich Karborund, Titaniumoxyd und Molekularsiebe.Examples of suitable fire-resistant materials are silica, kieselguhr, zirconia, alumina, natural clays, silica-alumina, metal carbides including carborundum, titanium oxide and molecular sieves.

Die Alkali- oder Erdalkalimetalloxyde, -hydroxyde und -carbonate, die in den vorgenannten Katalysatoren enthalten sind, umfassen die Oxyde, Hydroxyde und Carbonate von Metallen wie Natrium, Kalium, Lithium, Rubidium, Caesium, Calcium, Strontium, Magnesium und Barium. Beispiele von spezifischen Zusammensetzungen, die in diese Klasse fallen, sind Natriumoxyd, Kaliumhydroxyd, Lithiumcarbonat, Calciumoxyd, Strontiumhydroxyd und Magnesiumcarbonat.The alkali or alkaline earth metal oxides, hydroxides and carbonates contained in the aforementioned catalysts include the oxides, hydroxides and carbonates of metals such as sodium, potassium, lithium, rubidium, cesium, calcium, strontium, magnesium and barium. Examples of specific compositions falling into this class are sodium oxide, potassium hydroxide, lithium carbonate, calcium oxide, strontium hydroxide and magnesium carbonate.

Darüberhinaus kann der verwendete Katalysator ein mit Nickel überzogenes Erdalkalioxyd sein (z. B. Calciumoxyd, Magnesiumoxyd, Bariumoxyd), das einen Nickelgehalt von ungefähr 4 bis ungefähr 70 Gew.-% besitzt.In addition, the catalyst used can be an alkaline earth oxide coated with nickel (e.g. calcium oxide, magnesium oxide, barium oxide) which has a nickel content of approximately 4 to approximately 70% by weight.

Eine Gruppe von Katalysatoren kann vorteilhafterweise durch Behandlung eines porösen feuerbeständigen Katalysators hergestellt werden, der von ungefähr 4 bis ungefähr 70% Nickel mit einem oder mehreren der oben genannten Oxyde, Hydroxyde oder Carbonate enthält. Bei einem Alkalioxyd, -hydroxyd oder -carbonat kann dies durch Eintauchen des Katalysators in eine wässrige Lösung der Zusammensetzung und ein darauf folgendes Trocknen des Katalysators in einem geeigneten Ofen erreicht werden.A group of catalysts can advantageously be prepared by treating a porous refractory catalyst containing from about 4 to about 70% nickel with one or more of the above-mentioned oxides, hydroxides or carbonates. For an alkali oxide, hydroxide or carbonate, this can be accomplished by immersing the catalyst in an aqueous solution of the composition and then drying the catalyst in a suitable oven.

Falls wasserunlösliche Erdalkalioxyde, -hydroxyde oder -carbonate Verwendung finden, kann eine wasserlösliche alkalische Metallzusammensetzung verwendet werden, um das mit Nickel überzogene feuerbeständige Material zu imprägnieren, und das Hydroxyd oder Carbonat des Metalls kann darauffolgend an Ort und Stelle ausgefällt werden.If water-insoluble alkaline earth oxides, hydroxides or carbonates are used, a water-soluble alkaline metal composition can be used to impregnate the nickel-plated refractory material and the hydroxide or carbonate of the metal can then be precipitated in place.

Zusätzlich kann ein mit Nickel überzogener feuerbeständiger Katalysator, der mit einer in der Wärme zersetzbaren Alkali- oder Erdalkalimetallzusammensetzung, wie etwa einem Nitrat,In addition, a nickel-coated fire-resistant catalyst made with a heat-decomposable alkali or alkaline earth metal composition such as a nitrate,

Azetat oder Format, imprägniert ist, z. B. direkt in die Umwandlungszone der Brennstoffzelle eingefüllt werden, und das Oxyd und/oder Carbonat kann an Ort und Stelle während der Umformung in der Zone aufgrund der Bedingungen, die während des Brennstoffzellenbetriebes hierin existieren, d. h. hohe Temperatur und Gegenwart von CO[tief]2, gebildet werden.Acetate or format, impregnated e.g. B. be filled directly into the conversion zone of the fuel cell, and the oxide and / or carbonate can be in place during the conversion in the zone due to the conditions that exist therein during fuel cell operation, i. H. high temperature and presence of CO [low] 2.

Ein Teil einer Wand der Umformungszone, die den oben genannten Katalysator enthält, bildet eine durchlässige Membran. Solch eine Membran kann eine beliebige wasserstoffdurchlässige Metallmembran enthalten, die mit der Umgebung verträglich ist, d. h. genügend widerstandsfähig gegenüber den Wirkungen des beizenden bzw. ätzenden Elektrolyten ist und die ihre physikalische Beschaffenheit bei den Temperaturen beibehält, bei denen die Umwandlung stattfindet. Beispiele für solche Membranen sind palladium- oder wasserstoffdurchlässige Palladiumlegierungen, wie etwa eine Silber-Palladium-Legierung, die 25% Silber enthält.Part of a wall of the reforming zone, which contains the above-mentioned catalyst, forms a permeable membrane. Such a membrane can contain any hydrogen-permeable metal membrane that is compatible with the environment, e.g. H. is sufficiently resistant to the effects of the acidic or corrosive electrolyte and which retains its physical nature at the temperatures at which the conversion takes place. Examples of such membranes are palladium- or hydrogen-permeable palladium alloys, such as a silver-palladium alloy containing 25% silver.

Anhand einer in der beiliegenden Zeichnung dargestellten beispielsweisen Ausführungsform, die einen Querschnitt durch eine Brennstoffzellenanordnung zeigt, wird die neuerungsgemäße Brennstoffzelle weiter veranschaulicht.The fuel cell according to the invention is further illustrated with the aid of an exemplary embodiment shown in the accompanying drawing, which shows a cross section through a fuel cell arrangement.

Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, umfasst die Brennstoffzellenanordnung 10 eine Brennstoffzelle, die ein äußeres Gehäuse 11 aus einem nicht leitenden, undurchdringlichenAs can be seen from the drawing, the fuel cell assembly 10 comprises a fuel cell which has an outer housing 11 made of a non-conductive, impenetrable material

Material und zwei Elektroden, eine Anode 12 und eine Kathode 14 besitzt, die in dem Gehäuse durch Abstandshalter 16, 18 und 20 gehalten werden, so dass eine Umwandlungszone 22, die einen Umwandlungskatalysator 24, der über die Zone 22 verteilt ist, enthält, ein Elektrolytraum 26 und ein Oxydationsmittelraum 28 gebildet wird. Der Katalysator 24 enthält Teilchen aus entweder einem mit Nickel überzogenen feuerfesten Material, das von ungefähr 0,5% bis ungefähr 20% eines Alkali- oder Erdalkalimetalloxyds, -hydroxyds oder -carbonats (wie etwa z. B. einen Aluminiumkatalysator, der ungefähr 33% Nickel enthält und Natriumhydroxyd in einer Menge von ungefähr 5,75% ausgedrückt als Natriummetall einschließt), enthält oder einem mit Nickel überzogenen Erdalkalioxyd, wie etwa Nickel überzogenes Magnesiumoxyd, das 25% Nickel enthält. Die Größe der Katalysatorteilchen variiert je nach der Breite 22a der Umwandlungszone 22. Vorzugsweise sollten die Teilchen Durchmesser besitzen, die von einem Fünftel bis zu einem Zehntel der Breite der Zone reichen. Die Zellenabdeckung oder -deckel 29 ist mit geeigneten Leitungen 30 und 32 versehen, um die Brennstoff-Dampfmischung und das Oxydationsmittel jeweils in die Umwandlungszone 22 bzw. den Oxydationsmittelraum 28 einzuführen. Die Auslassleitungen 34 und 36 sind zum Abziehen der Gase vorgesehen. Der Deckel 29 ist mit einer geeigneten Durchlassöffnung 37 versehen, um aus dem Elektrolyten, der in dem Raum 26 enthalten ist, das Wasser abzuziehen, das während des Zellenbetriebes gebildet wird.Material and two electrodes, an anode 12 and a cathode 14, which are held in the housing by spacers 16, 18 and 20 so that a conversion zone 22 containing a conversion catalyst 24 distributed over the zone 22, a Electrolyte space 26 and an oxidant space 28 is formed. The catalyst 24 contains particles of either a nickel coated refractory material containing from about 0.5% to about 20% of an alkali or alkaline earth metal oxide, hydroxide or carbonate (such as, for example, an aluminum catalyst which is about 33% Nickel and including sodium hydroxide in an amount of approximately 5.75% expressed as sodium metal) or a nickel-coated alkaline earth oxide such as nickel-coated magnesia which contains 25% nickel. The size of the catalyst particles will vary depending on the width 22a of the conversion zone 22. Preferably, the particles should have diameters ranging from one fifth to one tenth the width of the zone. The cell cover or lid 29 is provided with suitable lines 30 and 32 for introducing the fuel-vapor mixture and the oxidizing agent into the conversion zone 22 and the oxidizing agent space 28, respectively. The outlet lines 34 and 36 are provided for drawing off the gases. The cover 29 is provided with a suitable passage opening 37 in order to draw off the water which is formed during cell operation from the electrolyte which is contained in the space 26.

Während des Zellenbetriebes ist der Elektrolytraum 26 mit einem geeigneten Elektrolyten, wie etwa einem geschmolzenen Alkalihydroxyd, z. B. einer Mischung aus Natriumhydroxyd und Kaliumhydroxyd, gefüllt und eine Brennstoffzuführung, die eine Mischung aus einem Kohlenstoff enthaltenden Brennstoff und Dampf umfasst, wird in die Umwandlungszone 22 durch die Leitung 30 eingeführt. Das Verhältnis von Dampf zu Kohlenstoff enthaltendem Brennstoff und die Flussmenge, mit der die Leitung 30 gespeist wird, kann durch geeignete Einstellung von Ventilen 38 und 40 gesteuert werden, mit denen die Steuerung des Dampfes bzw. des Kohlenwasserstoffes vorgenommen werden kann. In der Zone 22 reagiert der Dampf mit dem Kohlenwasserstoff über dem Katalysator 24, wodurch Wasserstoffgas erzeugt wird. Die Anode 12 enthält eine mikroporöse Unterlage, wie z. B. mikroporöse Kohle, die auf ihrer Stirnseite, die dem Elektrolyten ausgesetzt ist, eine nicht poröse Wasserstoff durchlässige Metallmembrane 42, etwa aus Palladium, besitzt. Obgleich die Dicke der Membrane 42 in einem weiten Bereich variieren kann, so werden dünne Membranen, die Dicken in der Größenordnung von 0,00025 cm (0,0001 inch) oder weniger besitzen, bevorzugt. Es ist natürlich möglich, dickere Wasserstoff durchlässige Metallmembranen, die selbsttragend sind, zu verwenden, und dementsprechend kann die poröse Kohlenunterlage oder Träger 12 fortgelassen werden.During cell operation, the electrolyte compartment 26 is filled with a suitable electrolyte, such as a molten alkali hydroxide, e.g. A mixture of sodium hydroxide and potassium hydroxide, and a fuel feed comprising a mixture of a carbon-containing fuel and steam is introduced into the conversion zone 22 through line 30. The ratio of steam to carbon-containing fuel and the flow rate with which the line 30 is fed can be controlled by suitable adjustment of valves 38 and 40, with which the control of the steam and the hydrocarbon can be made, respectively. In zone 22, the steam reacts with the hydrocarbon over catalyst 24, producing hydrogen gas. The anode 12 contains a microporous pad, such as. B. microporous carbon, which has a non-porous hydrogen-permeable metal membrane 42, for example made of palladium, on its end face that is exposed to the electrolyte. Although the thickness of the membrane 42 can vary widely, thin membranes that are on the order of 0.00025 cm (0.0001 inches) or less are preferred. It is of course possible to use thicker hydrogen permeable metal membranes which are self-supporting, and accordingly the porous carbon pad or support 12 can be omitted.

Wenn die Zelle gestartet werden soll, so wird der Elektrolytraum 26 mit einem geeigneten Elektrolyten, wie etwa einer geschmolzenen Mischung aus Natriumhydroxyd und Kaliumhydroxyd gefüllt, und die Zelle wird auf die Betriebstemperatur aufgeheizt, die in der Größenordnung von ungefähr 450°C liegen kann.When the cell is to be started, the electrolyte compartment 26 is filled with a suitable electrolyte, such as a molten mixture of sodium hydroxide and potassium hydroxide, and the cell is heated to the operating temperature, which can be on the order of about 450 ° C.

Eine Mischung aus einem Kohlenstoff enthaltenden Brennstoff (wie etwa Propangas) und Dampf wird sodann in die Umformungszone 22 über die Leitung 30 eingeführt. Das Verhältnis von Brennstoff zu Dampf und die Flussmenge bzw. Geschwindigkeit, mit der die Mischung eingeführt wird, wird durch geeignete Betätigung der Steuerventile 38 und 40 reguliert. Bei dem Eintritt in die Umwandlungszone 22 und beim Kontakt mit dem Katalysator 24 reagieren der Brennstoff und der Dampf, so dass Wasserstoffgas erzeugt wird. Wenn der Strom aus der Zelle durch Leitungen 44 und 44a abgezogen wird, so wird bewirkt, dass der erzeugte Wasserstoff durch die Membran 42 und in den Elektrolyten in dem Elektrolytenraum 26 zu einer elektrochemischen Reaktion dringt bzw. geführt wird. Z. B. wurden bei einem Zuführungsverhältnis von 6,9 Mol Dampf pro Mol Propan (Dampf zu Kohlenstoffverhältnis 2,3), 4,4 ml (STP) Propan pro Minute in die Umwandlungszone eingeleitet, die auf 450°C und ungefähr einer Atmosphäre gehalten wurde. 4,8 Ampere Strom wurden bei einer Spannung von 0,76 Volt aus der Zelle abgeleitet. Eine Analyse der austretenden Gase ergab, dass kein Propan darin enthalten war, was anzeigt, dass die Umwandlung des Brennstoffes 100% betrug.A mixture of a carbon containing fuel (such as propane gas) and steam is then introduced into the reforming zone 22 via line 30. The ratio of fuel to steam and the rate at which the mixture is introduced is regulated by appropriate actuation of the control valves 38 and 40. Upon entering the conversion zone 22 and upon contact with the catalyst 24, the fuel and steam react to produce hydrogen gas. When the current is withdrawn from the cell through lines 44 and 44a, the result is that the hydrogen generated penetrates or is conducted through the membrane 42 and into the electrolyte in the electrolyte space 26 to an electrochemical reaction. For example, with a feed ratio of 6.9 moles of steam per mole of propane (steam to carbon ratio 2.3), 4.4 ml (STP) of propane per minute was introduced into the conversion zone which was maintained at 450 ° C and approximately one atmosphere. 4.8 amps of current was drawn from the cell at a voltage of 0.76 volts. An analysis of the leaking gases showed that it did not contain propane, indicating that the conversion of the fuel was 100%.

Während des Zellenbetriebes wird der Druckabfall großes Delta P über dem Katalysatorbett 24 durch eine beliebige geeignete Einrichtung, wie z. B. ein Quecksilbermanometer 46, gemessen, dessen einer Schenkel mit der Leitung 30 verbunden ist, in der der zugeführte Dampf und der Kohlenstoff enthaltende Brennstoff gemischt werden, und durch die die Mischung in die Umwandlungszone 22 gelangt, und dessen anderer Schenkel mit der Auslassleitung 34 verbunden ist, durch die die Abgase aus der Umwandlungszone 22 abgezogen werden.During cell operation, the large delta P pressure drop across catalyst bed 24 is measured by any suitable means, such as, for. B. a mercury manometer 46, measured, one leg of which is connected to the line 30, in which the supplied steam and the carbon-containing fuel are mixed and through which the mixture enters the conversion zone 22 and the other leg of which is connected to the outlet conduit 34 through which the exhaust gases are withdrawn from the conversion zone 22.

In eine Brennstoffzelle der in der Zeichnung dargestellten Art wurde eine Mischung aus Dampf und Propan im Verhältnis von 2,5 Mol Dampf pro Mol Kohlenstoff eingeleitet. Die Umwandlungszone der Zelle enthielt einen Umformungskatalysator aus mit Nickel überzogenem Aluminiumoxyd, das 33 1/3% Nickel und 5,75% Natriumhydroxyd, ausgedrückt als Natriummetall, enthielt. Eine Umformung in der Zone fand bei einer Temperatur von ungefähr 450°C und einem Druck von ungefähr einer Atmosphäre statt. Unter diesen Bedingungen wurde ein kontinuierlicher Zellenbetrieb ohne irgendeine bemerkbare Änderung im Druckabfall über dem Katalysatorbett 24 nach einer kontinuierlichen Betriebszeit von mehr als 1000 Std. erreicht.A mixture of steam and propane in a ratio of 2.5 moles of steam per mole of carbon was introduced into a fuel cell of the type shown in the drawing. The conversion zone of the cell contained a nickel-coated alumina conversion catalyst containing 33 1/3 percent nickel and 5.75 percent sodium hydroxide, expressed as sodium metal. Reshaping in the zone took place at a temperature of approximately 450 ° C and a pressure of approximately one atmosphere. Under these conditions, continuous cell operation was achieved without any noticeable change in the pressure drop across the catalyst bed 24 after a continuous period of operation in excess of 1000 hours.

Mit unbehandelten, mit Nickel überzogenen Aluminiumoxydkatalysatoren wurden mehrere Versuche durchgeführt, wobei in die Umformungszone eine Propan- oder Octan-Dampfmischung eingeleitet wurde (Dampf zu Kohlenstoffverhältnis im Bereich von 2 bis 5). Eine Umwandlung wurde bei 450° und ungefähr einer Atmosphäre Druck durchgeführt. Selbst bei dem höheren Dampf zu Kohlenstoffverhältnissen (d. h. in der Größenordnung von 5), fand die Erhöhung des Druckabfalls über den Katalysator in der Zone schnell statt und erreichte einen so hohen Wert, dass der Lauf nach 10 Stunden, nachdem er begonnen worden war, beendet werden musste. Bei niedrigerem Dampf zu Kohlenstoffverhältnissen (2 bis 3) fand eine noch schnellere Erhöhung des Druckabfalls über der Zone statt, so dass der Lauf bereits innerhalb von 6 oder weniger Stunden abgebrochen werden musste.Several experiments were carried out with untreated, nickel-coated aluminum oxide catalysts, a propane or octane steam mixture being introduced into the reforming zone (steam to carbon ratio in the range from 2 to 5). Conversion was carried out at 450 ° and approximately one atmosphere pressure. Even with that At higher steam to carbon ratios (i.e., on the order of 5), the increase in pressure drop across the catalyst in the zone took place rapidly and reached such a level that the run had to be stopped after 10 hours after it was started. With lower steam to carbon ratios (2 to 3), the pressure drop over the zone increased even more rapidly, so that the run had to be aborted within 6 or fewer hours.

Die vorliegende Neuerung gibt somit Einrichtungen an, mit denen ein kontinuierlicher und zuverlässiger Betrieb einer Brennstoffzelle, bei der Wasserstoff an Ort und Stelle erzeugt wird, über längere Zeiten hinweg erreicht werden kann, indem die zeitliche Zunahme des Druckabfalls über die Umwandlungszone der Zelle, in der ein Nickel-Umwandlungskatalysator enthalten ist, verringert wird. Aufgrund der vorliegenden Neuerung werden somit die Anwendungsmöglichkeiten für Brennstoffzellen, die wirksame und billige Nickelkatalysatoren enthalten, beträchtlich erweitert.The present innovation thus specifies devices with which a continuous and reliable operation of a fuel cell, in which hydrogen is generated on site, can be achieved over longer periods of time by increasing the pressure drop over time over the conversion zone of the cell in which a nickel conversion catalyst is included. As a result of the present innovation, the possible uses for fuel cells which contain effective and inexpensive nickel catalysts are considerably expanded.

Claims (1)

Brennstoffzelle mit einer Elektrolytkammer mit Anode und Kathode, die durch eine wasserstoffdurchlässige Membran in der Anode von einer Umwandlungszone abgetrennt ist, in der ein Nickel-Umwandlungskatalysator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (24) des Katalysators in der Umwandlungszone (22) einen Kern aus feuerfestem Material und eine den Kern umhüllende Nickelschicht umfassen, wobei das feuerfeste Material des Teilchenkernes aus ungefähr 0,5% bis ungefähr 20% eines Alkali- oder Erdalkalimetalloxyds, -hydroxyds oder -carbonats, bezogen auf das Gewicht des Metalls, besteht oder dass die Katalysatorteilchen ein mit Nickel überzogenes Erdalkalioxyd umfassen.Fuel cell with an electrolyte chamber with anode and cathode, which is separated by a hydrogen-permeable membrane in the anode from a conversion zone in which a nickel conversion catalyst is arranged, characterized in that the particles (24) of the catalyst in the conversion zone (22) have a Core made of refractory material and a nickel layer enveloping the core, wherein the refractory material of the particle core consists of about 0.5% to about 20% of an alkali or alkaline earth metal oxide, hydroxide or carbonate, based on the weight of the metal, or that the catalyst particles comprise an alkaline earth oxide coated with nickel.
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