DE60031379T2 - Kompaktes und leichtes katalysatorbett zur verwendung in brennstoffzellenkraftanlage und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Kompaktes und leichtes katalysatorbett zur verwendung in brennstoffzellenkraftanlage und verfahren zu dessen herstellung Download PDFInfo
- Publication number
- DE60031379T2 DE60031379T2 DE60031379T DE60031379T DE60031379T2 DE 60031379 T2 DE60031379 T2 DE 60031379T2 DE 60031379 T DE60031379 T DE 60031379T DE 60031379 T DE60031379 T DE 60031379T DE 60031379 T2 DE60031379 T2 DE 60031379T2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- catalyst
- catalyst bed
- heat transfer
- fuel
- monolithic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims description 71
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims 2
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 27
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 21
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 17
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 9
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 5
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 4
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 4
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 3
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 claims description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims 2
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 claims 1
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000037452 priming Effects 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005201 scrubbing Methods 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
- H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
- B01J35/56—Foraminous structures having flow-through passages or channels, e.g. grids or three-dimensional monoliths
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Diese Erfindung bezieht sich auf ein kompaktes und leichtgewichtiges Katalysatorbett für die Verwendung als ein Bauteil in einem Brennstoffzellenstromerzeuger. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Katalysatorbett, das eine offenporige Schaumbasis hat, auf die der Katalysator abgeschieden wird. Die Schaumbasis wird zuerst mit einer porösen Grundierungsschicht (wash coat) versehen und der Katalysator wird auf der Grundierungsschicht abgeschieden, wodurch eine Katalysatorschicht mit einer sehr großen Oberfläche geschaffen wird.
- STAND DER TECHNIK
- Brennstoffzellenstromerzeuger weisen Brennstoffgaskatalysatorbetten auf, die dazu betriebsfähig sind, ein Brennstoffgas, wie z.B. Erdgas, Propan, Benzin, Dieselbrennstoff oder Ähnliches, in Wasserstoff und Kohlendioxid umzuwandeln. Der Umwandlungsprozess beinhaltet das Gelangen eines rohen Brennstoffs durch ein Brennstoffverarbeitungssystem, das vier oder mehr Verarbeitungsstationen aufweisen kann. Die Anzahl und Typen von Stationen variieren entsprechend dem verwendeten Brennstoff und dem Typ der Brennstoffzelle in dem Stromerzeuger. An jeder Station wird das Brennstoffverarbeitungsgas durch einen katalytischen Reaktor gespeist, der einer speziellen Brennstoffverarbeitungsfunktion bei der Umwandlung des rohen Brennstoffgases in einen wasserstoffreichen Strom dient, der für die Verwendung in der Brennstoffzellenstapelanordnung des Stromerzeugers geeignet ist. Jeder katalytische Reaktor enthält ein Katalysatorbett für die abzulaufenden Reaktionen. Typischerweise werden diese Betten durch das Katalysieren von Aluminiumoxid- oder Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Kügelchen mit einem entsprechenden Katalysator, wie z.B. Nickel, Kupfer, Zink oder Edelmetallen, wie z.B. Platin, Palladium, Rhodium oder Ähnlichem, gemacht. In einer Brennstoffzelle vom Protonentauschmembran(PEM)-Typ, die dafür ausgelegt ist, Benzin für eine Fahrzeuganwendung zu verwenden, würde das System auch ein Schwefelauswaschreaktantenbett sowie einen Reformer, Schie bekonverter und selektiven Oxidierer aufweisen, wie in der gleichzeitig anhängigen PCT-Patentanmeldung mit der Nummer 99/14,319, angemeldet am 24. Jun 1999, beschrieben.
- In einem typischen Reformer für einen ortsfesten Stromerzeuger beinhaltet die Umwandlung das Gelangen einer Mischung aus dem Brennstoffgas und Dampf durch ein Katalysatorbett, das auf eine Reformertemperatur von etwa 677°C (1250°F) bis zu etwa 871°C (1600°F) erwärmt wird. Typischerweise verwendete Katalysatoren bestehen aus auf Aluminiumoxidkügelchen abgeschiedenem Nickel. Ein typischer Reformer besteht aus einer Mehrzahl von Reaktionsröhren. Ein solcher Reaktor ist den US-Patenten mit den Nummern 4 098 587; 4 098 588; und 4 098 589 beschrieben. Die entstehende erwärmte wasserstoffreiche Gasmischung strömt dann für die weitere Verarbeitung und Nutzung von dem Reformer weg.
- Dampfreformer erfordern ein Katalysatorbett mit einer großen Oberfläche mit einem hohen Grad an Katalysatorbrennstoffmischungsinteraktion und eine große Wärmeübertragungsoberfläche, um die Menge von Wasserstoff zu erzeugen, die erforderlich ist, um jegliches signifikante Menge an Brennstoffzellenstrom zu erzeugen. Dieser Bedarf an einer großen Katalysatorbett- und Wärmeübertragungsoberfläche führt, wenn er durch die Verwendung von katalysierten Kügelchen in röhrenförmigen Reformern erfüllt wird, wie in den oben erwähnten Patenten beschrieben, zu unerwünscht großen und schweren Reformeranordnungen. Zum Beispiel weist ein handelsüblicher ortsfester 200 KW-Säure-Brennstoffzellenstromerzeuger einen Dampfreformerbauteil auf, der ein Volumen von etwa 4,25 bis 4,96 Kubikmetern (150 bis 175 Kubikfuss) hat und etwa 1588 Kilogramm (3500 amerikanische Pfund) wiegt.
- Das US-Patent mit der Nummer 5 733 347, erteilt am 31. März 1998, beschreibt eine Dampfreformeranordnung, die keine katalysierten Kügelchen nutzt, sondern stattdessen einen gewellten Reformerkern mit katalysierten Wänden. Der gewellte Reformerkern bildet parallele Passagen für den zu reformierenden Brennstoff und bildet auch benachbarte parallele Brennergaspassagen, die in direkter Wärmetauschbeziehung zu den Reformerpassagen angeordnet sind. Ebenso stehen die Reformerpassagen in direkter Wärmetauschbeziehung zu den Regenerator passagen. Diese Anordnung ist leichtgewichtiger und kompakter als ein Dampfreformer, der katalysierte Kügelchen verwendet, und schafft wegen der großen Oberfläche des gewellten Kerns eine sehr effiziente Wärmeübertragung zwischen den katalysierten Reformerpassagen und den Brennergas- und Regeneratorpassagen. Die Anordnung ist aus einer Abfolge von im Wesentlichen flachen Platten gebildet, die um gewellte Passagen herum angeordnet sind und die Anordnung hat ein sich wiederholendes Muster von Brennerpassage, Reformerpassage, Regeneratorpassage, Reformerpassage, Brennerpassage usw.. Gasströmungsumkehrverzweigungssysteme verbinden die Reformerpassagen mit den Regeneratorpassagen. Während die oben erwähnte flache Plattenanordnung eine wesentliche Reduzierung von Gewicht und Größe schafft, schafft sie kein gutes Gasmischströmungsmuster für die Gase, die wegen der Einbeziehung der gewellten Gasströmungspassagen durch sie hindurch gelangen. Folglich schafft die gewellte Konstruktion wegen ihrer verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften eine Reformeranordnung mit einer wünschenswerteren Größe und einem wünschenswerteren Gewicht, aber die Konstruktion mit den katalysierten Kügelchen schafft ein wünschenswerteres Gasmischströmungsmuster.
- Es wäre sehr wünschenswert, ein Katalysatorbett zu schaffen, das für die Verwendung in einem Brennstoffzellenstromerzeuger geeignet ist, wobei dieses Katalysatorbett das Gasmischströmungsmuster der katalysierten Kügelchen schafft und kompakt und leichtgewichtig ist, wie der oben beschriebene Reformer mit einer katalysierten Wand.
- BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Diese Erfindung bezieht sich auf ein Katalysatorbett für die Verwendung in einem Brennstoffverarbeitungssystem, das katalytisch einen Brennstoffgasstrom zur Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellenstromerzeugers nutzbar macht, wobei das Katalysatorbett ein monolithisches offenporiges Schaumelement, das innere offene Poren hat, die sowohl seitlich als auch längs miteinander verbunden sind, und das miteinander in Verbindung stehende Zwischenräume definiert, die ein seitlich und längs diffuses Gasströmungsmuster durch das Katalysatorbett ergeben, wobei das monolithische Element einen Kern, der mit einer porösen Grundierungsschicht auf allen Oberflächen des Kerns versehen ist, hat; und einen auf der Grundierungsschicht abgeschiedenen Katalysator aufweist, wobei das monolithische Element aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, einer Aluminiumstahllegierung oder einer Nickellegierung besteht, und Wärmeübertragungspfade mit einer großen Oberfläche schafft.
- Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenkatalysatorbett schafft eine verbesserte Katalysator- und Wärmeübertragungsoberfläche; ist kompakt und leichtgewichtiger und schafft einen verbesserten Gasmisch- und -verteilungsströmungspfad. Die Katalysatorbettstruktur dieser Erfindung wird von einem monolithischen offenporigen Schaumkern gebildet, der mit einer porösen Grundierungsschicht mit einer großen Oberfläche versehen ist, auf der die Katalysatorschicht abgeschieden wird. Die Grundierungsschicht kann Aluminiumoxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Ceroxid, Siliziumkarbid oder ein anderes keramisches Material mit einer großen Oberfläche sein. Die Wahl der Grundierungsschicht hängt von den Betriebsparametern des speziellen Katalysatorbetts ab. Der monolithische Gasströmungsbauteil ist ein Schaum mit miteinander verbundenen offenen Poren, deren Oberflächen mit einem Nickel-, Kupfer- oder Zinkkatalysator oder mit solchen Edelmetallkatalysatoren wie Platin, Palladium, Rhodium oder Ähnlichem katalysiert werden. Der offenporige Schaum schafft, sobald er mit einer Grundierungsschicht versehen wurde, die erforderliche Basis für die große Oberfläche, um die Abscheidung des Katalysators mit der großen Oberfläche zu erreichen, der gebraucht wird, um das Brennstoffgas richtig zu verarbeiten. Der offenporige Schaum schafft auch ein verbessertes Misch- und Verteilungsgasströmungsmuster für Gase, die durch den Monolith gelangen, da die Gase sowohl seitlich als auch längs durch die Struktur strömen. Der offenporige Schaum schafft auch Wärmeübertragungspfade mit einer großen Oberfläche, die zu einer turbulenteren Gasströmung beitragen, die die Wärmeübertragungsraten in Systemen verbessert, die das Katalysatorbett nutzen. Außerdem kann die von dem Schaum geschaffene hohe Wärmeübertragung in und durch benachbarte Wände des Reaktors fortgeführt werden, um eine hochgradig effiziente Wärmeübertragungsvorrichtung zu schaffen, die zu einer verbesserten Prozesstemperatursteuerung führt und normalerweise Größe und Gewicht der Bauteile für einen gegebenen Ausgabepegel reduziert. Die dazwischen liegenden Wände können flache Platten sein oder können Leitungen mit Kühlmittelströmungsfähigkeiten sein, an die der monolithische offenporige Schaum durch Hartlöten oder jeden beliebigen anderen für das betreffende System geeigneten Mechanismus gebunden werden kann.
- Alle zu katalysierenden Oberflächen werden mittels eines herkömmlichen Grundierungsprozesses, wie z.B. des von W. R. Gnade und Co. oder Englehard Corp vorgesehenen, mit einer Grundierungsschicht versehen. Der Grundierungsprozess erzeugt eine poröse Aluminiumoxidschicht auf allen Oberflächen des Schaums, wobei die Aluminiumoxidschicht eine Basis für die Katalysatorbeschichtung bildet. Die Verwendung der offenporigen Schaummonolithkonstruktion ermöglicht mit ihrer maximierten Oberfläche die Minimierung der Katalysatorbettgröße und des Katalysatorbettgewichts. Der Kern des offenenporigen monolithischen Schaums ist aus Aluminium, rostfreiem Stahl, einer Aluminiumstahllegierung oder Nickellegierungen gebildet, die mit einer Grundierungsschicht versehen werden können. Es wird zu verstehen sein, dass die Zwischenräume sowie die Außenoberflächen des offenporigen Schaummonolithen mit einer Grundierungsschicht versehen werden und, wo erwünscht, auch katalysiert werden. Da die Katalysatorbetten eine minimale Größe und ein minimales Gewicht haben, sind sie für Fahrzeuganwendungen besonders geeignet, wo Größe und Gewicht entscheidend sind und weil Fahrzeuganwendungen eine schnelle Startfähigkeit erfordern, die eng mit der Größe und dem Gewicht der Bauteile verbunden ist. Kleine und leichte Katalysator- und Reaktantenbetten können mit einer Minimalenergiezufuhr schnell erwärmt werden.
- Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Brennstoffgasverarbeitungskatalysatorbett zu schaffen, wobei das Katalysatorbett kompakt und leichtgewichtig ist.
- Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Katalysatorbett mit den beschriebenen Eigenschaften zu schaffen, das auf Grund von verbesserten Wärmeübertragungsfähigkeiten bei niedrigeren Temperaturen arbeitet als derzeit verfügbare Katalysatorbetten.
- Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Katalysatorbett mit den beschriebenen Eigenschaften zu schaffen, das verbesserte Gasmisch- und -vertei lungsströmungspfade für Brennstoffgase schafft, die durch das Katalysatorbett strömen.
- Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Katalysatorbett mit den beschriebenen Eigenschaften zu schaffen, das eine verbesserte Wärmeübertragung in dem Reaktor schafft.
- Es ist eine zusätzliche Aufgabe dieser Erfindung, ein Katalysatorbett mit den beschriebenen Eigenschaften zu schaffen, das einen offenporigen Schaumkern aufweist, der mit einer Schicht mit einer großen Oberfläche grundiert ist, die mit einer geeigneten Katalysatorschicht versehen ist.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Diese und andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leichter ersichtlich werden. In denen ist:
-
1 eine Perspektivenansicht einer Form eines offenporigen Schaumkatalysatorbetts; und -
2 eine fragmentierte Perspektivenansicht einer Wärmeübertragungsbauteilund Schaumkatalysatorbettanordnung, die aneinander gebunden sind. - SPEZIELLE AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
- Jetzt wird Bezug auf die Zeichnungen genommen. In
1 ist eine Perspektivenansicht einer geradlinigen Form eines Katalysatorbetts gezeigt, das gemäß dieser Erfindung gebildet ist, wobei das Bett allgemein von der Ziffer2 bezeichnet wird. Das Katalysatorbett2 ist ein monolithisches offenporiges Schaumbauteil, das ein Gitternetz aus Ranken4 aufweist, die ein Netzwerk von offenen Poren6 bilden, die in die X-, Y- und Z-Richtung in dem Bett2 miteinander verbunden sind. Die miteinander verbundenen offenen Poren6 sind dazu betriebsfähig, einen verbesserten Brennstoffgasmisch- und -verteilungsströmungspfad von dem Ende8 zu dem Ende10 des Betts2 zu bilden. Die offenen Poren6 und die Ranken4 schaffen auch eine sehr große katalysierbare Oberfläche in dem Bett2 . Der Kern des Schaumkatalysatorbetts2 ist aus Aluminium, rostfreiem Stahl, einer Aluminiumstahllegierung oder Nickellegierungen gebildet. - Das Bett
2 wird auf die folgende Art katalysiert. Eine mit einer Grundierungsschicht versehene poröse Aluminiumoxidgrundbeschichtung wird auf alle äußeren und in den Zwischenräumen gelegenen zu katalysierenden Oberflächen in dem Bett2 aufgebracht. Die Aluminiumoxidgrundierungsschicht kann auf das Bett2 durch das Eintauchen des Betts2 in eine Grundierungslösung oder durch das Sprühen der Grundierungslösung auf das Bett2 aufgebracht werden. Das mit einer Grundierungsschicht versehene Bett2 wird dann wärmebehandelt, um die Aluminiumoxidschicht auf dem Kern zu bilden. Die Katalysatorschicht wird dann auf die Aluminiumoxidoberflächen des Betts2 aufgebracht. Wenn erwünscht, können die Aluminiumoxidbeschichtung und die katalysierenden Schritte gleichzeitig ausgeführt werden. Ähnliche Schritte könnten für andere Grundierungsmaterialien verwendet werden. -
2 ist eine fragmentierte Perspektivenansicht, die separate Elemente der Schaumbauteile2 zeigt, die an Wärmeübertragungsbauteile48 gebunden sind. Durch das Binden der offenporigen Schaumbauteile2 an die benachbarten Wärmeübertragungsbauteile48 , die eine ebene Wand oder eine Kühlmittelleitung sein können, wird eine Fortführung der hohen Wärmeleitfähigkeit des Schaums2 in den Wärmeübertragungsbauteil48 erreicht. Die Wärmeübertragungsbauteile48 können aus Aluminium, rostfreiem Stahl, stahlbasierten Legierungen, die Aluminium enthalten, oder hochlegierten Nickellegierungen gemacht sein, wie von den Erfordernissen des Systems vorgegeben, in dem die Bauteile2 ,48 integriert sind. - Die offenporige Schaumkatalysatorbettstruktur schafft eine verbesserte Wärmeübertragung, verbesserte Gasströmungseigenschaften und eine maximierte Katalysatoroberfläche. Die Gewichts- und Größenreduzierungen, die durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Katalysatorbettkonstruktion erreicht werden, sind auf Grund ihrer kleineren Größe und ihres geringeren Gewichts für die Verwendungen in kleineren Anwendungen, wie z.B. in mobilen Fahrzeugen, notwen dig. Die kleine Größe und das geringe Gewicht ermöglichen auch eine schnelle Katalysatorbetterwärmung auf Betriebstemperaturen, was eine entscheidende Erfordernis für eine Schnellstartfähigkeit ist, die in den meisten Fahrzeuganwendungen notwendig ist. Die reduzierte Größe und das reduzierte Gewicht bringen auch Vorteile bezüglich der Verpackung von ortsfesten Stromerzeugern. Monolithkerne vom beschriebenen Typ können von ERG Energy Research and Generation, Inc. of Oakland, CA bezogen werden, deren Kerne unter dem eingetragenen Warenzeichen "DUOCEL" verkauft werden.
- Da viele Änderungen und Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung gemacht werden können, ohne von dem erfinderischen Konzept abzuweichen, soll die Erfindung nicht anders als von den anhängenden Ansprüchen gefordert beschränkt sein.
Claims (14)
- Katalysatorbett zur Verwendung in einem Brennstoffverarbeitungssystem, das katalytisch einen Brennstoffgasstrom zur Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellenstromerzeugers nutzbar macht, wobei das Katalysatorbett ein monolithisches offenporiges Schaumelement, das innere offene Poren hat, die sowohl seitlich als auch längs miteinander verbunden sind, und das miteinander in Verbindung stehende Zwischenräume definiert, die ein seitlich und längs diffuses Gasströmungsmuster durch das Katalysatorbett ergeben, wobei das monolithische Element einen Kern, der mit einer porösen Grundierungsschicht auf allen Oberflächen des Kerns versehen ist, hat; und einen auf der Grundierungsschicht abgeschiedenen Katalysator aufweist, wobei das monolithische Element aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, einer Aluminiumstahllegierung oder einer Nickellegierung besteht, und Wärmeübertragungspfade mit einer großen Oberfläche schafft.
- Katalysatorbett nach Anspruch 1, wobei die Grundierungsschicht ein poröses keramisches Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid, Ceroxid, Siliziumkarbid oder einem anderen porösen keramischen Material besteht.
- Katalysatorbett nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Katalysator ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Zink, Nickel, Platin, Rhodium und Palladium besteht.
- Katalysatorbett nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Katalysator Nickel, Kupfer oder Zink ist.
- Katalysatorbett nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Katalysator ein Edelmetall ist.
- Katalysatorbett nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Bett mit einem benachbarten Wärmeübertragungselement verbunden ist, um eine Wärmeübertragungsbeziehung zwischen dem Bett und dem Element herzustellen.
- Verfahren zum Bilden eines Katalysatorbetts zur Verwendung in einem Brennstoffverarbeitungssystem, das katalytisch einen Brennstoffgasstrom zur Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellenstromerzeugers nutzbar macht, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines monolithischen offenporigen Schaumelements, das innere offene Poren hat, die sowohl seitlich als auch längs miteinander verbunden sind, und das miteinander in Verbindung stehende Zwischenräume definiert, die ein seitlich und längs diffuses Gasströmungsmuster durch das Katalysatorbett ergeben, wobei das monolithische Element einen Kern hat; b) Bilden einer porösen Grundierungsschicht auf allen Oberflächen des Kerns; und c) Abscheiden eines Katalysators auf der Grundierungsschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Element aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, einer Aluminiumstahllegierung, rostfreiem Stahl oder einer Nickellegierung besteht und Wärmeübertragungspfade mit einer großen Oberfläche schafft.
- Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Grundierungsschicht Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid, Ceroxid, Siliziumkarbid oder ein anderes poröses keramisches Material mit einer großen Oberfläche ist.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Katalysator ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel, Platin, Rhodium und Palladium besteht.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Katalysator Nickel, Kupfer oder Zink ist.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Katalysator ein Edelmetall ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, ferner aufweisend den Schritt des Bindens des monolithischen offenporigen Schaumelements an ein benachbartes Wärmeübertragungselement, um eine Wärmeleitfähigkeitsbeziehung zwischen dem offenporigen Schaumelement und dem Wärmeübertragungselement herzustellen.
- Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Wärmeübertragungselement eine Platte aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 12, wobei Wärmeübertragungselement eine Kühlmittelleitung aufweist.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/252,154 US6140266A (en) | 1999-02-18 | 1999-02-18 | Compact and light weight catalyst bed for use in a fuel cell power plant and method for forming the same |
| US252154 | 1999-02-18 | ||
| PCT/US2000/004038 WO2000049671A1 (en) | 1999-02-18 | 2000-02-17 | Compact and light weight catalyst bed for use in a fuel cell power plant and method for forming the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE60031379D1 DE60031379D1 (de) | 2006-11-30 |
| DE60031379T2 true DE60031379T2 (de) | 2007-12-06 |
Family
ID=22954824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE60031379T Expired - Lifetime DE60031379T2 (de) | 1999-02-18 | 2000-02-17 | Kompaktes und leichtes katalysatorbett zur verwendung in brennstoffzellenkraftanlage und verfahren zu dessen herstellung |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6140266A (de) |
| EP (1) | EP1157434B1 (de) |
| JP (1) | JP2002537101A (de) |
| KR (1) | KR100669311B1 (de) |
| CN (1) | CN1209842C (de) |
| AU (1) | AU3493700A (de) |
| BR (1) | BR0008296A (de) |
| DE (1) | DE60031379T2 (de) |
| WO (1) | WO2000049671A1 (de) |
Families Citing this family (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6616909B1 (en) * | 1998-07-27 | 2003-09-09 | Battelle Memorial Institute | Method and apparatus for obtaining enhanced production rate of thermal chemical reactions |
| GB9914492D0 (en) * | 1999-06-22 | 1999-08-25 | Johnson Matthey Plc | Non-woven fibre webs |
| US6488838B1 (en) * | 1999-08-17 | 2002-12-03 | Battelle Memorial Institute | Chemical reactor and method for gas phase reactant catalytic reactions |
| BR0013344A (pt) * | 1999-08-17 | 2002-06-04 | Battelle Memorial Institute | Estrutura de catalisador e processo de sìntese de fischer-tropsch |
| US6297162B1 (en) * | 1999-09-27 | 2001-10-02 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company | Method to reduce silicon oxynitride etch rate in a silicon oxide dry etch |
| US6942944B2 (en) * | 2000-02-29 | 2005-09-13 | Illinois Institute Of Technology | Battery system thermal management |
| US8273474B2 (en) * | 2000-02-29 | 2012-09-25 | Illinois Institute Of Technology | Battery system thermal management |
| US7125540B1 (en) * | 2000-06-06 | 2006-10-24 | Battelle Memorial Institute | Microsystem process networks |
| US6531238B1 (en) * | 2000-09-26 | 2003-03-11 | Reliant Energy Power Systems, Inc. | Mass transport for ternary reaction optimization in a proton exchange membrane fuel cell assembly and stack assembly |
| WO2002046676A1 (en) * | 2000-12-05 | 2002-06-13 | Texaco Development Corporation | Apparatus and method for heating catalyst for start-up of a compact fuel processor |
| US6706239B2 (en) | 2001-02-05 | 2004-03-16 | Porvair Plc | Method of co-forming metal foam articles and the articles formed by the method thereof |
| US6670305B2 (en) * | 2001-05-09 | 2003-12-30 | The University Of Chicago | Free-standing monolithic catalyst with micro-scale channel dimensions |
| US6537351B2 (en) | 2001-05-29 | 2003-03-25 | Utc Fuel Cells, L.L.C. | Compact light weight condenser assembly |
| US7063131B2 (en) | 2001-07-12 | 2006-06-20 | Nuvera Fuel Cells, Inc. | Perforated fin heat exchangers and catalytic support |
| WO2004000454A1 (en) * | 2002-06-20 | 2003-12-31 | The Regents Of The University Of California | Supported metal catalyst with improved thermal stability |
| US7005209B1 (en) | 2002-10-04 | 2006-02-28 | The Texas A&M University System | Fuel cell stack assembly |
| US7001687B1 (en) | 2002-10-04 | 2006-02-21 | The Texas A&M University System | Unitized MEA assemblies and methods for making same |
| US7635461B2 (en) * | 2003-06-06 | 2009-12-22 | University Of Utah Research Foundation | Composite combustion catalyst and associated methods |
| US20050031506A1 (en) * | 2003-08-07 | 2005-02-10 | He Huang | Structure for desulfurizing gasoline or diesel fuel for use in a fuel cell power plant |
| JP4448703B2 (ja) * | 2004-01-30 | 2010-04-14 | 本田技研工業株式会社 | 車載用燃料電池スタックの運転方法 |
| JP4371308B2 (ja) * | 2004-01-30 | 2009-11-25 | 本田技研工業株式会社 | 車載用燃料電池スタック |
| JP4482341B2 (ja) * | 2004-01-30 | 2010-06-16 | 本田技研工業株式会社 | 車載用燃料電池スタックの運転方法 |
| US7328831B1 (en) | 2004-06-25 | 2008-02-12 | Porvair Plc | Method of making a brazed metal article and the article formed thereby |
| JP5035589B2 (ja) * | 2005-11-22 | 2012-09-26 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池 |
| US7721726B2 (en) | 2006-01-03 | 2010-05-25 | Lg Electronics Inc. | Gas radiation burner |
| JP2007269615A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Miura Co Ltd | 水素生成機およびこれを用いた燃料電池システム |
| US8304365B2 (en) | 2008-05-16 | 2012-11-06 | Utc Power Corporation | Stabilized platinum catalyst |
| US8389175B2 (en) * | 2008-05-16 | 2013-03-05 | Utc Power Corporation | Fuel cell having a stabilized cathode catalyst |
| KR101714061B1 (ko) * | 2011-03-21 | 2017-03-09 | 현대자동차주식회사 | 고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법 |
| GB2505693A (en) * | 2012-09-07 | 2014-03-12 | Univ Dublin City | A proton exchange membrane fuel cell with open pore cellular foam |
| CN110120528A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-08-13 | 常州优特科新能源科技有限公司 | 一种金属燃料电池用空气电极催化剂以及空气电极和金属燃料电池 |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0794321B2 (ja) * | 1990-08-30 | 1995-10-11 | 株式会社田熊総合研究所 | 排熱を利用するメタノール改質方法及び排熱回収型メタノール改質装置 |
| US5174968A (en) * | 1990-12-12 | 1992-12-29 | W. R. Grace & Co.-Conn. | Structure for electrically heatable catalytic core |
| JP2745198B2 (ja) * | 1993-04-12 | 1998-04-28 | 株式会社日板研究所 | 炭化水素類の改質用触媒 |
| JPH0748101A (ja) * | 1993-08-02 | 1995-02-21 | Idemitsu Kosan Co Ltd | 燃料電池用水素含有ガスの製造方法 |
| US5648582A (en) * | 1993-08-20 | 1997-07-15 | Regents Of The University Of Minnesota | Stable, ultra-low residence time partial oxidation |
| US5534475A (en) * | 1994-03-02 | 1996-07-09 | Instituto Mexicano Del Petroleo | Catalytically active ceramic monoliths for the reduction of leaded gasoline fueled engine pollutants and the production thereof |
| ZA9510014B (en) * | 1994-11-28 | 1996-06-04 | Shell Int Research | Process for preparation of supports |
| SE504795C2 (sv) * | 1995-07-05 | 1997-04-28 | Katator Ab | Nätbaserad förbränningskatalysator och framställning av densamma |
| US5733347A (en) * | 1995-12-27 | 1998-03-31 | International Fuel Cells Corp. | Compact fuel gas reformer assemblage |
| JP3870455B2 (ja) * | 1996-09-27 | 2007-01-17 | トヨタ自動車株式会社 | 一酸化炭素濃度低減装置およびその方法並びに燃料電池発電装置 |
| JPH10258234A (ja) * | 1997-03-19 | 1998-09-29 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 金属担持触媒 |
| JPH11130405A (ja) * | 1997-10-28 | 1999-05-18 | Ngk Insulators Ltd | 改質反応装置、触媒装置、それらに用いる発熱・触媒体、及び改質反応装置の運転方法 |
| US6203587B1 (en) * | 1999-01-19 | 2001-03-20 | International Fuel Cells Llc | Compact fuel gas reformer assemblage |
-
1999
- 1999-02-18 US US09/252,154 patent/US6140266A/en not_active Expired - Lifetime
-
2000
- 2000-02-17 CN CNB008033714A patent/CN1209842C/zh not_active Expired - Fee Related
- 2000-02-17 JP JP2000600318A patent/JP2002537101A/ja active Pending
- 2000-02-17 WO PCT/US2000/004038 patent/WO2000049671A1/en active IP Right Grant
- 2000-02-17 DE DE60031379T patent/DE60031379T2/de not_active Expired - Lifetime
- 2000-02-17 KR KR1020017010502A patent/KR100669311B1/ko not_active IP Right Cessation
- 2000-02-17 EP EP00913498A patent/EP1157434B1/de not_active Expired - Lifetime
- 2000-02-17 BR BR0008296-1A patent/BR0008296A/pt not_active Application Discontinuation
- 2000-02-17 AU AU34937/00A patent/AU3493700A/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20010102247A (ko) | 2001-11-15 |
| CN1339178A (zh) | 2002-03-06 |
| US6140266A (en) | 2000-10-31 |
| WO2000049671A1 (en) | 2000-08-24 |
| JP2002537101A (ja) | 2002-11-05 |
| EP1157434A1 (de) | 2001-11-28 |
| DE60031379D1 (de) | 2006-11-30 |
| EP1157434A4 (de) | 2003-04-16 |
| AU3493700A (en) | 2000-09-04 |
| EP1157434B1 (de) | 2006-10-18 |
| BR0008296A (pt) | 2002-01-29 |
| CN1209842C (zh) | 2005-07-06 |
| KR100669311B1 (ko) | 2007-01-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE60031379T2 (de) | Kompaktes und leichtes katalysatorbett zur verwendung in brennstoffzellenkraftanlage und verfahren zu dessen herstellung | |
| DE10083881B3 (de) | Kompakte Brennstoffgas-Reformeranordnung | |
| DE69908242T2 (de) | Reformer | |
| EP1602141B1 (de) | Modular aufgebautes hochtemperatur-brennstoffzellensystem | |
| US6117578A (en) | Catalyzed wall fuel gas reformer | |
| EP0977294B1 (de) | Anlage mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen | |
| DE60032782T2 (de) | Umwandlung von stickstoffoxiden mittels eines in der form eines maschennetzwerks ausgebildeten katalysators | |
| EP0911897B1 (de) | Anlage zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs,insbesondere von Methanol, und zur Kohlenmonoxid-Reduktion, und Betriebsverfahren hierfür | |
| DE112011103503T5 (de) | Mikrokanalapparatur | |
| GB2353801A (en) | Reactor comprising a diffusion bonded heat exchanger that is suitable for use in the steam reforming of hydrocarbons | |
| WO1998058874A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur autothermen reformierung von kohlenwasserstoffen | |
| DE10242020A1 (de) | Methanol-Reformierungsgerät | |
| WO2001048854A2 (de) | Membran-elektroden-einheit für eine brennstoffzelle und herstellungsverfahren dazu | |
| DE102005004075B4 (de) | Keramischer Mikroreaktor | |
| DE10393728T5 (de) | Brenner zum Verbrennen der Anodenabgasströmung in einer PEM-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage | |
| DE10137888A1 (de) | Plattenrahmen-Wärmetauscher | |
| DE60212503T2 (de) | Flüssigkeitsverteilungsoberflächen für Festelektrolyt-Brennstoffzellen | |
| DE10001064A1 (de) | Reformierungsreaktor in Schichtbauweise | |
| DE10136768A1 (de) | Brennstoffzellenanlage mit zwei Umformeinheiten zur katalytischen Dekomposition | |
| DE60207912T2 (de) | Temperatur- und Umsatzkontrollsystem für Brennstoffreformer | |
| DE10393517T5 (de) | Substrat mit angepasstem Strömungspfad | |
| DE19947755A1 (de) | Autothermer Reformierungsreaktor | |
| JP2003503294A (ja) | 燃焼器壁温制御を備えた小型の燃料気体改質装置 | |
| JPH03254066A (ja) | 燐酸型燃料電池の電極触媒層 | |
| DE102007028664A1 (de) | Monolithische Formkörper mit stabilisierendem und wärmeleitendem Metallschaumgerüst |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8332 | No legal effect for de | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: UTC FUEL CELLS, LLC (N.D.GES.D. STAATES DELAWA, US |
|
| 8370 | Indication related to discontinuation of the patent is to be deleted | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition |