DE2044431A1 - Brennstoff Sattiger fur Tieftemperatur Brennstoffzellen - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DR.-PHIL. G. NiCKEL · DR.'-!NC. ü. DORNER

8 MÜNCHEN 15

LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104

TEL. (O8H) 555719

München, den 31. August 1970 Anwaltsaktenz.j 14 - Pat. 64

United Aircraft Corporation, 400 MainStreet, East Hartford Connecticut 06108, Vereinigte Staaten von Amerika

Brennstoff-Sättiger für Tieftemperatur-Brennstoffzellen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme von Brennstoffzellen und besonders darauf einem Umformer Brennstoff- und Dampfmischungen zu liefern.

In älteren Brennstoffzellen wurde allgemein reiner Wasserstoff als bevorzugter Brennstoff verwendet. In dem Bestreben Brennstoffzellen im Handel anziehend zu gestalten, wurden beträchtliche Anstrengungen gemacht mit dem Ziel, bereits erhältliche Brennstoffe in Wasserstoff umzuwandeln zur Anwendung als Brennstoff in der Brennstoffzelle. Obwohl verschiedene Ausführungsarten vorgeschlagen wurden, um Kohlenwasserstoff-Brennstoffe umzuwandeln, wurde der Schwerpunkt hauptsächlich auf die katalytische Umwandlung von Kohlenwasserstoffen bei relativ hohen Temperaturen gelegt. Vorrichtungen zur Umwandlung eines Kohlenwasserstoff-Vorrats durch Reaktion der Strömung in einem Konverter für katalytischen Dampf hoher Temperatur, um die Produkte iVasserstoff und Kohlenoxyd zu erzeugen, werden zum Beispiel in der US-Patentschrift 3 446 594 von Buswell dargelegt. Kennzeichnend für die früheren Umformer ist, daß die Dampferzeugung durch Anwendung eines warmfesten Dampfkessels erfolgt, welcher bei Temperaturen arbeitet, die in der Größenordnung von 371° C bis 510 U liegen, und daß die Wärme von den Brenner-Abgasen im Umformer gelie fert wird. - 1 -

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Sättigung eines Gases mit Wasserdampf wurde angewandt um einen Teildruck des Wasser dampf es zu erzeugen. Auf '■lern Gebiet der Brennstoffzelle wurde die zu behandelnde Luftströmung befeuchtet Uin ein gründliches Arbeiten der Natronkalk-Gaswäscher zii ge-. währleisten. Die US Patentschrift 3 061 658 "von Blackiaer zeirt eine Brennstoffzelle welche eine Vorrichtung aufweist um den Oxydierungsstrom zu befeuchten bevor er durch das Kathodengehäuse geführt wird. Diese Befeuchtung soll die Wasserentzielvurig der Ionen-Austauschmembrane, welche in der Brennstoffzelle verwendet wird, verhindern. Auf dem Gebiet der Brennstoffzelle wurden Dampf-Sättiger in Verbindung mit der zu behandelnden Luftströmung verwendet und waren Bestandteile ausserhalb der Brennstoffzelle..

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfinaung besteht darin ein verbessertes Verfahren zur Kühlung einer BrennstoffzelLen-Anlage zu liefern.

Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Sättigung eines gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffes mit Wasserdampf aus einer Brennstoffzelle welche bei einer Temperatur unter 100⁰C arbeitet. Ein Gesiehtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Anwendung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes in Verbindung mit Wasser um die Brennstoffzellen-Anlage zu kühlen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Kühlung einer Brennstoffzellen-Anlage durch Methansättigung in Verbindung mit weiteren Mitteln um wenigstens einen Teil der Abwärme aus der Brennstoffzelle zu entfernen.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann ein Brennstoff-Sättiger in die Brennstoffzellen-Anlage integriert werden, indem der Sättiger in eine Aiishöhlung in den Stützplatten zwischen benachbarten Zellen der Anordnung angebracht wird. Die während der Inbetriebnahme des Systems in den Seilen erzeugte Wärme liefert die benötigte Energie zur Sättigung des Brennstoffes mit Wasser, welches der Sättiger-Aiishöhlung zugeführt wird. Wenn zusätzlicher Dampf erfordert ist kann ein Wasserdampfkessel zu diesem Zweck im System angebrocht werden.

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In einer anderen Ausführung kann ein Kühlmittel aus der Brennstoffzellen-Anlage einem Br enns to ff-Sät tiger zugeführt werden, welcher von der Anlage getrennt ist, wobei die aus den Zellen durch ein Kühlmittel entfernte Hitze dein Brennstoff- und Wasservorrat im Sättiger zugeführt werden kann. Während der Brennstoff Sättiger bei einem höheren Verhältnis Wasser zu Brennstoff richtig funktionieren wird, arbeitet der Sättiger vorzugsweise bei einem Molverhältnis Wasser zu Brennstoff von ungefähr 1.

1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoff-Sättigers in einem Brennstoffzellen-System wo der Sättiger aus der Brennstoffzellen-Anlage entfernt wurde. "

Figur 2 ist eine vergrösserte Ansicht eines Sättigers welcher ausserhalb der Brennstoffzellen-Anlage verwendet werden kann.

Figur 3 ist ein schematischer Schnitt durch eine Brennstoffzellen-Anlage, welche einen in den Trennplatten integrierten Sättiger zeigt.

Figur A ist eine schematische Darstellung diirch eine Brennstoffzellen-Anlage, welche einen abgeänderten integrierten Brennstoff-Sättiger zeigt.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Brennstoff-Sättiger 10 gezeigt, welcher einen Vorrat an gasförmigem Brennstoff, der durch die Leitung 12 geliefert wird, sowie einen Vorrat an flüssigem Wasser, das durch die Leitung 14 geliefert wird, auf weist-. Diese Strömungen v/erden in einem vorbestimmten Verhältnis der Aushöhlung 16 des Brennstoff-Sättigers zugeführt, wo der trockene Brennstoff durch die Aushöhlung 16 eine Strecke durchläuft welche durch die befeuchteten Dochte .17 gekennzeichnet v/erden kann. Fig. 2 zeigt einen abgeänderten Sättiger bei welchem die Aushöhlung 16 mit Wasser gefüllt ist und trockener Brennstoff durch das flüssige Wasser sprudelt und als gesättigter Brennstoff durch die Leitung 18 austritt. Eer gesättigte Brennstoff kann dann mit zusätzlichem Dampf, der vom Dampfkessel 20 geiiefert wird, vermischt werden, und die Mischung wird dem Reaktor 22 zugeführt in welchem Kohlenwasserstoff-Brennstoff und -Dampf katalytisch reagieren uu Wasserstoff und andere gasförmige Px'odufcte zu erzeugen. Die vscserstoffreiche Strömung

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' gelangt zu einem Umstell-Konverter 24, wo -Kohlenstoif-Monooxyd und Dampf in der Strömung umgewandelt werden um den Wasserstoffgehalt zu bereichern und den Gehalt an Kohlenstoff-Monooxyd der Strömung zu verkleinern. Danach wird die Strömung den Anodengehäusen zugeführt wo der Wasserstoff als Brennstoff für die elektrochemischen Reaktionen in den einzelnen Brennstoff zellen benutzt wird. Der wasserstoffentleerte Anoden-Ausfluss wird , zum Brenner 28 geleitet wo die Strömung mit Luft entzündet wird um die vom Reaktor 22 benötigte Wärme zu liefern» Die heissen Brennergase werden durch den Wärme-Austauscher $0 abgesaugt und liefern die zur Verdampfung des flüssigen Wassers im Dampfkessel 20 benötigte Wärme.

»Die Brennstoffzellen-Anlage 26 kann durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt iirerden, wie zum Beispiel durch eine Mischung voll Glykol und Wasser, welche zwischen benachbarten Zellen durchfixesst. Die Brennstoffzellen-Abwärme wird durch eine Kühlschleife zum Sättiger 10 geführt wo das Kühlmittel durch den Hitze-Austauscher 32 geht, welcher mit dem Sättiger verbunden ist zur Erzeugung von Hitze für den Sättiger. Danach wird das Kühlmittel zum Kühler 34 geführt um die Temperatur des flüssigen Kühlmittels herabzusetzen, und über die Zellen-Anlage wieder in den Kreislauf zurückgeführt. Das Verfahren des Kühliaittel-Umlaufs bildet keinen Teil der Erfindung, da eine geeignete Wahl im Berech des Wissens eines Fachmannes liegt.

Das Verhältnis V/asser zu Brennstoff am Ausgang des Sättigers hängt von der Wärmemenge ab, die zur Verdampfung des Wassers verfügbar ist. Wenn zum Beispiel das gewünschte Verhältnis Wasser zu Brennstoff hoch wäre müsste die Wassertemperatur notwendigerweise nahe an 100 C liegen. Wenn aber das gewünschte Verhältnis Wasser zu Brennstoff um 1 liegt kann die Sättiger-Betriebstemperatur bei 82⁰C liegen. Da der Sättiger bei einer Temperatur von nur 82⁰C arbeiten kann wird die minimale Brennstoffzellen-Betriebstemperatur zur Iiaferung dieser Hitze niedriger. Entsprechend kann die Brennstoffzellen-Abwärme benutzt werden um den Brennstoff dort zu sättigen wo die Brennstoffzellen-Betriebstemperatur unterhalb 100⁰C liegt.

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Der Vorteil dieses Systems liegt darin, dass die Grosse des Wasserdampfkessels verkleinert oder dieser gänzlich weggelassen werden kann. Dies ergibt ein verbessertes Verfahren zum Abführen der Brennstoffzellen-Abwärme, vermindert die Grö&se einer normalen Abwärme-Abführvorrichtung und vereinfacht das System . Der beschriebene Wasserdampfkessel könnte weggelassen werden, kann aber vorgesehen werden um das Verhältnis Dampf zu Brennstoff zu vergrössern wenn die Kohlenstoff-Monoosyd-Konzentration in der Anoden-Zuführung durch die Anwendung eines Umstell-Konverters verringert werden muss. Bei einem geringeren Kohlenstoff -Monooxyd-Gehalt im Brennstoffstrom kann die Vergiftung des Anoden-Katalysators, die durch das Vorhandensein von Kohlenstoff -Monooxyd hervorgerufen wird, herabgesetzt xverden. Dadurch dass Anoden-Katalysatoren hervorgebracht xirurden, welche den Kohlenstoff-Monooxyd vertragen, sind Dampfkessel und Uinstell-Konverter möglicherweise nicht mehr erforderlich.

Bezugnehmend auf Fig. 3 ist eine Brennstoffzellen-JLnlage gezeigt welche eine Vielzahl von einzelnen Zellen aufweist, wobei jede Zelle hauptsächlich aus den Elektroden 36 und 38 besteht, die durch eine Matrize 4-0 getrennt sind. Diotanzplatten 42 trennen die benachbarten Brennstoffzellen und Stirnplatten 44 werden verwendet um die Zellen-Anlage zu vervollständigen. Diese Stirnplatten und Distanzplatten bilden, in Verbindung mit den Elektroden, die Brennstoff-Durchgänge 46-und die Oxyd-Durchgange 48. Das flüssige Wasser wird den Oeffnungen 50 in den Stirn- und Distanzplatten durch Eingänge 52 zugeführt, durch geeignete Rohrνerzweigungen in den Platten. Das Wasser kann in die Durchgänge geschleust werden durch die Docht-Glieder 54. Di3 Oeffnungen 50 in den Platten iönnen am unteren Ende vergrössert werden μΐη eine Vorratsreserve an Wasser oder einen inneren Speicher zu bilden. Der trockene Brennstoff wird durch die Eingänge 56 zugeführt und danach durch die Oeffnungen 50 hochgeführt, v/o das Wasser in der trockenen Brennstoff-Strömung verdampft wird. Geeignete Schlitze 57 in. den Docht-Gliedern sind vorgesehen um das Pliessen des trockenen Brennstoffes zu den Oeffnungen 50 hin zu erleichtern. Die Wärme wird erzeugt; als Ergebnis der elektro-cheinischen .Reaktion zwischen Wasser- ' stoff und Sauersboff. Diese Wärme kocht das Wasser in den Durchgängen ^O und ist normal gesehen Abwärme. Die nicht zur

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Sättigung des Brennstoffes benutzte Abwärme kann über äussere Kühlrippen ^ljo aus der Anlage entfernt werden oder Mb irgendeinem der reagierenden Gasströme abgefüiü-t; werden. Der gesättigte Brennstoff wird über die Rohrverzweigung 60 gesemmelt und durch den Ausgang 62 dem katalytisehen Reaktor 22 zugeführt, in derselben Weise wie mit deia äusseren Brennstoff-Sättiger. -Jiach der katalytischen Reaktion kann der an Wasserstoff reiche Strom einem Ümstell-Konverter und den Anodengehäusen der Brennstoffzellen-Anlage zugeführt werden.

.Eine Asndenmg dieser Anordnung ist m Fig. 4 gezeigt, wo das 'flüüüice. .Wat?sor vorwiegend die Aushöhlung 50 in den Stirn- und Distanzplatten auffüllt» In diesem kochenden Sättiger sprudelt dor trockene Brennstoff, durch das Wasser in Aushöhlungen der ■t ■Di'S-taiiz--TDd'er Gtirnplatten, wobei eine gesättigte Brennstoff-' ■-Strö-jiaiiK erzeugt wird, die dem Reaktor 22 zugeführt werden ":ann.

Die besondere Technik, welche kennzeichnend ist für das Einhalten de ο V/asBerpegels im Sättiger der Anlage oder im aus s er en Sättiger, Il b eine Sache von Aiifbauerfahruag und wird hier nicht beschrieben. Die · Sättigungsgeschwindigkei"c hängt zum ^rfeil - ab von der Temperatur des Sättigers_s von. der Geschwindigkeit des trockenen Brennstoff-Zuflusses, von den Durchgangsfiuss™ Strecken und ähnlichem, v/as abgestimmt v/erden kann um die Bedingungen:¹ eines bestimmten Systems zu erfüllen» Es ist . natürlich .einleuchtend dass, wenn integrierte Sättiger vorge-φ sehen sind,, nichü jede Stirn- oder Distanzplatte notwendiger-•■weise einen Batb.Iger enthalten muss» ^

. Obwohl die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung hier gezfd.gt.und beschrieben wurde ist einzusehen, dass viele Aenderungen und Varianten durchgeführt werden können ohne von der Idee und dem Ausmass der Erfindung abzuweichen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche .

   1. Ein Brennstoffzellen-System mit einer Vielzahl von getrennten Brennstoffzellen, die in einer Anlage untergebracht sind, lind ein Dampf-Umformer de:? den Brennstoffzellen Brennstoff liefert, wobei jede Zelle getrennte Oxyd- und Brennstoff-Elektroden begreift die einen elektrolytischen-Raum zvd.sch.en diesen bilden, Stützpl at ten zwischen benachbarten Brennstoff-, zellen, welche mit den Elektroden benachbarter Zellen jeweils eine O^dkammer land eine Brennstoff kammer bilden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine dieser Stützplatten eine Kühlmittel-Aushöhlung zum Kühlmittelfluss hierdurch und eine Brennstoff-Sättiger-Aushöhlung aufweist, wobei ein erster Einlass der Aushöhlung; Wasser liefert, ein zweiter Einlass hingegen Brennstoff, dass eine Wärmeaustausch-Vorrichtung mit dem Sättiger zusaramsnwirkt, dass Mittel vorgesehen sind um das Kühlmittel von der Brennstoffzellen-Anlage zu dieser Wärmeaus tausch- Vorrichtung zu leiten, wobei die in den Zellen erzeugte Wärme zum Sättiger geführt xtfird, und dass ein Ablass für den Sättiger vorgesehen ist um den gesättigten Brennstoff zum Dampf-tfinformer zu führen, um Wasserstoff für den Brennstoff der Brennstoff-Kammern zu erzeugen. .

   2. Ein System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht gerichtete Docht-Glieder in der Sättiger-Aushöhlung angebracht sind.

   3« Ein System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Sättiger-Aushöhlung Wasser bis zu einem vorbestimmten Pegel enthält und dass der zweite Einlass, der den Brennstoff zuführt, unterhalb des Wasserpegels liegt um ein Sprudeln des Brennstoff gas es hierdurch zu bewirken.

   4. Ein System nach Anspruch 1-3» dadurch gekennzeichnet, dass ein-Wasserdampfkessel zwischen Sättiger und Umformer eingefügt ist um dem gesättigten Brennstoff zusätzlichen Dampf zu liefern. .

   *j. Eine Tieftemperatur-Brennstoffzellen-Anlage bestehend aus einer Vielzahl von einzelnen Zellen und ein Dampf-Umforcier in welchem der Kohlenwasserstoff-Vorrat katalytisch reagiert

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   um eine wasserstoffreiche Strömung zu erzeugen, als Brennstoff quelle für die Brennstoffsellen-Anlage.' Ein Verfahren. zur Verwendung der Brennstoffzellen-Abwärme um das im Danpf-Umformungsprozess benötigte Wasser zu verdampfen, gekennzeichnet durch:

   Anbringen eines mit Wasser gefüllten Brennstoff-3ättigers im Innern von wenigstens einer Stützplatte zwischen benachbarten Brennstoffzellen;

   • Kühlen der Zellen durch Verdampfen des Wassers im Sättiger;

   Leiten eines trockenen Kohlenwasserstoff-BrennstoffStroms durch den Sättiger, wobei der trockene Brennstoffstrom Wasserdampf --mitreisst; und

   Zuführen von flüssigem Wasser in den Sättiger in einem vorbestimmten Verhältnis von Wasser zu Brennstoff.

   6. Das Verfahren nach Anspruch 51 gekennzeichnet durch:

   Zuführen des flüssigen Wassers in den Sättiger im Verhältnis von ungefähr 1 Mol V/asser zu 1 Mol Brennstoff.

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