DE602004012181T2

DE602004012181T2 - Thermo-elektrochemische Umsetzungsanordnung

Info

Publication number: DE602004012181T2
Application number: DE602004012181T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Kamachi; Hitoshi Okanobori; Shunsuke Itami
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: CA2461774C; JP2004296118A; EP1463141A1; US20040191592A1; CA2461774A1; JP4454949B2; US7261961B2; DE602004012181D1; EP1463141B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung, die thermische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Beschreibung der verwandten Technik
In den letzten Jahren wurde thermoelektrischen Umsetzungssystemen Aufmerksamkeit gegeben, die Wärme-regenerative Brennstoffzellen als thermoelektrische Umsetzungsvorrichtungen enthalten, welche Wärme bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen wiedergewinnen (nachfolgend als Nieder-Grad-Wärme bezeichnet), zum Beispiel bis zu angenähert 100°C, und diese in elektrische Energie umwandeln (siehe japanisches Patent Nr. 1-25972 und JP-A-2002-208430 ).
Bei diesen thermoelektrischen Umsetzungssystemen wird thermische Energie zugeführt, um eine endotherme Dehydrogenierungsreaktion in einem bestimmten Typ einer organischen Verbindung auf einem Katalysator zu induzieren, und es werden Wasserstoff und dehydrogenierte Substanzen (nachfolgend als dehydrogenierte Substanzen bezeichnet), die durch diese Reaktion erzeugt werden, und Wasserstoff elektrochemisch reagiert (Hydrogenierungsreaktion), um elektrische Energie zu gewinnen. Da bei einem solchen thermoelektrischen Umsetzungssystem keine thermodynamische Einschränkung (Carnot-Wirkungsgrad) vorliegt, kann ein hoher thermoelektrischer Umsetzungswirkungsgrad erwartet werden.
Zum Beispiel wird in einem Fall, wo Aceton, das eine dehydrogenierte Substanz ist, einer Hydrogenierungsreaktion unterliegt, um Isopropylalkohol zu erzeugen (nachfolgend als IPA abgekürzt), dessen Reaktionsgleichung als Gleichung (1) ausgedrückt (CH₃)₂CO + H₂ → (CH₃)₂CHOH (1)
Wenn hier die Betriebstemperatur 25°C beträgt, ist der Wert der Entalpieänderung ΔH = –55,5 kJ/mol, und die freie Änderung der Gibbs-Energie ΔG = 27,5 kJ/mol. Daher ist der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad η η = ΔG/ΔH = 49,5%.
Wenn man zum Beispiel die Temperatur von Abwärme berücksichtigt, die als thermische Energie aufzuwenden ist, um die endotherme Dehydrogenierungsreaktion zu induzieren, oder die Aktivierungstemperatur des Katalysators, um eine endotherme Dehydrogenierungsreaktion zu induzieren, ist es im tatsächlichen Gebrauch erforderlich, bei etwa 100°C zu arbeiten. Da jedoch in dem Fall, wo die Betriebstemperatur 100°C beträgt, der Wert der Entalpieveränderung ΔH = –56,4 kJ/mol und die Änderung der freien Gibbs-Energie ΔG = 12,2 kJ/mol ist, ist der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad η η = ΔG/Δ = 21,6%, was niedriger ist als der 100°C-Carnot-Wirkungsgrad (29,8%).
Die US 6,127,054 offenbart eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher soll die vorliegende Erfindung eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung angeben, die einen hohen thermoelektrischen Umsetzungswirkungsgrad erreichen kann, durch Nutzung von Warme, die durch eine Hydrogenierungsreaktion erzeugt wird, als Wärmequelle für eine endotherme Dehydrogenierungsreaktion.
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, wird eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung angegeben, umfassend: einen Dehydrogenierungsreaktor zum Erzeugen von Wasserstoff und einer dehydrogenierten Substanz durch die endotherme Dehydrogenierungsreaktion einer organischen Verbindung in der Gegenwart eines Dehydrogenierungskatalysators und Wärme von einer Wärmequelle; und eine Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion des Wasserstoffs und der von dem Dehydrogenierungsreaktor erzeugten dehydrogenierten Substanz Elektrizität erzeugt, wobei der Dehydrogenierungsreaktor und die Brennstoffzelle in einen Stapel integriert sind, wobei der Dehydrogenierungsreaktor durch Stapeln von Katalysatorschichten, die den Dehydrogenierungskatalysator enthalten, und von Zufuhr- und Abführschichten, die einen Zufuhrweg zum Zuführen einer organischen Verbindung zu den Katalysatorschichten sowie einen Abführweg zum Abführen von Wasserstoff und der in den Katalysatorschichten erzeugten dehydrogenierten Substanz aufweisen, aufgebaut ist; und eine Elektrizitätserzeugungsschicht der Brennstoffzelle in Kontakt mit der Katalysatorschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht und die Elektrizitätserzeugungsschicht jeweils aus einem Metallsubstrat gebildet sind.
Unter Verwendung einer solchen Konstruktion ist es möglich, selbsterzeugte Wärme direkt von einer Brennstoffzelle auf einen Dehydrogenierungsreaktor zu überführen, um hierdurch zu ermöglichen, dass der Wärmeverlust dramatisch reduziert wird. Daher wird der Brennstoffwärmenutzungsfaktor der selbsterzeugten Wärme erhöht. Im Ergebnis wird es möglich, den thermoelektrischen Umsetzungswirkungsgrad zu erhöhen.
Wenn der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad dann, wenn selbsterzeugte Wärme nicht genutzt wird, ηG ist, und der Brennstoffwärmenutzungsfaktor, wenn durch die Brennstoffzelle Wärme erzeugt wird, für eine Dehydrogenierungsreaktion in den Dehydrogenierungsreaktor genutzt wird, ηH ist, dann wird der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad η in dem Fall, wo die selbsterzeugte Wärme genutzt wird, die folgende Gleichung aufweisen: η = ηG·ηH/{1 – ηH(1 – ηG)}
Dementsprechend ist es in der obigen Konstruktion möglich, den thermoelektrischen Umsetzungswirkungsgrad einer thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung signifikanter zu erhöhen als in dem Fall, wo die selbsterzeugte Wärme nicht genutzt wird.
Durch Stapeln der Katalysatorschichten ist es möglich, eine organische Verbindung aus dem Zufuhrweg der Zufuhr- und Abführschicht des Dehydrogenierungskatalysators der Katalysatorschicht zuzuführen, und es wird möglich, Wasserstoff und eine dehydrogenierte Substanz, die durch eine endotherme Dehydrogenierungsreaktion in den Dehydrogenierungskatalysator erzeugt werden, an den Abführweg der Zufuhr- und Abführschicht abzuführen. Da es möglich wird, einen Dehydrogenierungsreaktor durch einfaches Stapeln von Katalysatorschichten aufzubauen und eine Zufuhr- und Abführschicht und eine Elektrizitätserzeugungsschicht der Brennstoffzelle so anzuordnen, dass sie mit den Katalysatorschichten in Kontakt steht, wird es möglich, die von der Brennstoffzelle selbsterzeugte Wärme zuverlässig zu übertragen, wobei der Brennstoffwärmenutzungsfaktor erhöht werden kann und es möglich wird, den Dehydrogenierungsreaktionswirkungsgrad des Dehydrogenierungsreaktors zu erhöhen. Darüber hinaus ist es durch Erhöhung der Anzahl der gestapelten Schichten möglich, einen klein bemessenen, aber sehr leistungsfähigen Dehydrogenierungsreaktor aufzubauen, um es möglich zu machen, dass ein gestapelter Dehydrogenierungsreaktor und eine Brennstoffzelle körperlich klein sind.
Gemäß der Erfindung sind die Katalysatorschicht und die Elektrizitätserzeugungsschicht jeweils aus einem Metallsubstrat gebildet (zum Beispiel Separatoren 22 und 23 und Substrate 51, 52 und 53 in den später beschriebenen Ausführungen).
Unter Verwendung einer solchen Konstruktion werden die Wärmeübertragungseigenschaften der selbsterzeugten Wärme von der Elektrizitätserzeugungsschicht verbessert, so dass der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad der thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung weiter verbessert wird.
Bevorzugt sind der Dehydrogenierungskatalysator und die erzeugende Obefläche der Elektrizitätserzeugungsschicht so angeordnet, dass sie, wenn sie gestapelt sind, ausgerichtet sind.
Unter Verwendung einer solchen Konstruktion ist es möglich, den Brennstoffwärmenutzungsfaktor der Selbsterwärmung aufgrund der Stromerzeugung der Brennstoffzelle weiter zu erhöhen, und die thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung kleiner zu machen.
Bevorzugt sind die Katalysatorschichten auf beiden Seiten der Zufuhr- und Abführschicht gestapelt, und eine organische Verbindung, Wasserstoff und eine dehydrogenierte Substanz werden zwischen die Zufuhr- und Abführschichten und die Katalysatorschichten auf beiden Seiten zugeführt und davon abgeführt.
Unter Verwendung einer solchen Konstruktion wird es möglich, Wärme von beiden Oberflächen der Zufuhr- und Abführschicht zu den Katalysatorschichten zu übertragen, um hierdurch zu ermöglichen, dass eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung mit hoher Verarbeitungsleistung kleiner und dünner gemacht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Fahrzeugbrennstoffzellensystems, das eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung einer ersten Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
2 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines Falls zeigt, wo ein Dehydrogenierungsreaktor und eine Sub-Brennstoffzelle in der ersten Ausführung der thermischen Umsetzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung integriert sind.
3 ist eine Explosionsperspektivansicht einer Elektrizitätserzeugungsschicht, die die Sub-Brennstoffzelle in der ersten Ausführung darstellt.
4 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm eines Modells, das den Dehydrogenierungsreaktor in der ersten Ausführung darstellt.
5 ist eine Explosionsperspektivansicht des Moduls.
6 ist ein Querschnittsdiagramm, das ein Beispiel von Dichtungsschichten zeigt, die für das Modul verwendet werden.
7 ist ein Querschnittsdiagramm, das ein anderes Beispiel von Dichtungsschichten zeigt, die für das Modul verwendet werden.
8 ist ein Konzeptdiagramm, das ein anderes Beispiel des Falls zeigt, wo der Hydrogenierungsreaktor und die Sub-Brennstoffzelle in der Ausführung einer thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung integriert sind.
9 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Fahrzeugbrennstoffzellensystems, das eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung einer zweiten Ausführung enthält, die durch die vorliegenden Ansprüche nicht gedeckt ist.
10 ist ein schematisches Diagramm einer thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung in der zweiten Ausführung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungen einer thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen von 1 bis 10. Alle folgenden Ausführungen sind Arten zum Einbau in Brennstoffzellenautomobile.
[Ausführung 1]
Zuerst wird eine Beschreibung einer ersten Ausführung einer thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen von 1 bis 8 beschrieben.
1 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Fahrzeugbrennstoffzellensystems, das eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung der ersten Ausführung enthält. Eine Hauptbrennstoffzelle 2 zur Stromversorgung eines Antriebsmotors 1 ist eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktionsgase verwendet. Sie ist aufgebaut durch Stapeln einer Mehrzahl von Zellen einer Membranstruktur, worin eine Festpolymerelektrolytmembrane 2a zwischen einer Anodenelektrode 2b und einer Kathodenelektrode 2c eingefügt ist (in 1 ist nur eine einzige Zelleneinheit gezeigt), und Elektrizität erzeugt wird, indem der Anodenseite Wasserstoff zugeführt wird und der Kathodenseite Luft zugeführt wird. Diese Hauptbrennstoffzelle 2 ist mit einem Kühlwasserkreislauf 3 versehen, um Kühlwasser zum Kühlen der Hauptbrennstoffzelle 2 umzuwälzen, und eine Kühlwasserpumpe 3a und ein Luftkühler 3b sind in dem Kühlwasserkreislauf 3 vorgesehen.
Ferner ist ein Teil des Kühlwasserkreislaufs 3 in einen Dehydrogenierungsreaktor 4 eingebaut, der Teil einer thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung 100 ist, und Kühlwasser tritt durch die Hauptbrennstoffzelle (Wärmequelle) 2, den Dehydrogenierungsreaktor 4 und den Kühler 3b, in dieser Reihenfolge, hindurch. Das von der Brennstoffzelle 2 erhitzte Kühlwasser wird durch Wärmeaustausch innerhalb des Dehydrogenierungsreaktors 4 gekühlt, danach durch Wärmeaustausch innerhalb des Kühlers 3b gekühlt, und kehrt dann zur Hauptbrennstoffzelle 2 zurück.
Die thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung 100 umfasst einen Dehydrogenierungsreaktor 4, eine Sub-Brennstoffzelle 5, einen Separator 6, sowie einen IPA-Tank 8 als ihre Hauptkomponenten, und ist aufgebaut, indem diese in einem geschlossenen Kreislauf verbunden sind. Der IPA (Isopropylalkohol), der eine zu dehydrogenierende organische Verbindung ist, ist in dem IPA-Tank 8 gespeichert und wird von einer IPA-Pumpe 9 dem Dehydrogenierungsreaktor 4 zugeführt.
Der Dehydrogenierungsreaktor 4 ist ein katalytischer Reaktor, der einen Dehydrogenierungskatalysator enthält, um eine Dehydrogenierungsreaktion zu induzieren, und bewirkt, dass in Gegenwart des Dehydrogenierungskatalysators und Wärme der Hauptbrennstoffzelle 2 der IPA einer endothermen Dehydrogenierungsreaktion unterliegt, um Wasserstoff und Aceton (dehydrogenierte Substanz) zu erzeugen. Um diese endotherme Dehydrogenierungsreaktion effizient durchzuführen, wird die Wärme der Sub-Brennstoffzelle 5, die Teil der thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung 100 ist, zusätzlich zur Wärme der Hauptbrennstoffzelle 2 dem Dehydrogenierungsreaktor 4 zugeführt.
In dem Dehydrogenierungsreaktor werden der Wasserstoff und das Aceton, die durch die Dehydrogenierungsreaktion erzeugt werden, von dem Dehydrogenierungsreaktor 4 als Mischgas abgegeben und dem Separator 6 zugeführt. Der Separator 6 trennt den Wasserstoff von dem Aceton und ist zum Beispiel mit einer Wasserstofftrennfolie versehen. Der vom Separator 6 abgetrennte Wasserstoff wird der Anodenseite der Sub-Brennstoffzelle 5 zugeführt, und das Aceton wird der Kathodenseite zugeführt.
Die Sub-Brennstoffzelle 5 ist aufgebaut durch Stapeln einer Mehrzahl von Elektrizitätserzeugungsschichten 20 (1 zeigt nur eine Elektrizitätserzeugungsschicht) einer Membranstruktur (nachfolgend als MEA abgekürzt), worin eine Festpolymerelektrolytmembrane 5a zwischen einer Anodenelektrode 5b und einer Kathodenelektrode 5c eingefügt ist, und wenn der Anodenseite Wasserstoff zugeführt wird und der Kathodenseite Aceton zugeführt wird, wird der Wasserstoff in dem Katalysator an der Anodenelektrode 5b ionisiert und Elektronen fließen in einer äußeren Schaltung 13, um Elektrizität zu erzeugen. Andererseits treten Wasserstoffionen durch die Festpolymerelektrolytmembrane 5a hindurch und werden zur Kathodenelektrode 5c überführt, wobei das Aceton mit Protonen und Elektronen kombiniert wird, und an dem Aceton eine exotherme Hydrogenierungsreaktion stattfindet, welche IPA erzeugt. Das heißt, diese Sub-Brennstoffzelle 5 erzeugt Elektrizität, indem der Wasserstoff und das Aceton, die in dem Dehydrogenierungsreaktor 4 erzeugt werden, der Anode bzw. der Kathode zugeführt werden, was eine elektrochemische Reaktion induziert. Danach wird die in der Sub-Brennstoffzelle 5 erzeugte Elektrizität in einer elektrischen Fahrzeugausstattung genutzt.
Nicht-reagierter Wasserstoff, der von der Anodenseite der Sub-Brennstoffzelle 5 abgegeben wird, wird zur Anodenseite der Sub-Brennstoffzelle 5 über einen Wasserstoffkreislauf 11 zurückgeführt und zur Zirkulation genutzt. Andererseits werden der IPA und das nicht-reagierte Aceton, die in der Acetonhydrogenierungsreaktion erzeugt werden, von der Kathodenseite der Sub-Brennstoffzelle 5 abgeführt und zum IPA-Tank 8 zurückgeführt, um zur Zirkulation verwendet zu werden.
In dem Fall, wo der Katalysator der Anodenelektrode 5b der Sub-Brennstoffzelle 5 für Aceton inaktiv ist (zum Beispiel Palladium (Pd)), ist der Separator 6 nicht notwendig. In diesem Fall können das Mischgas von Wasserstoff und Aceton, das von dem Dehydrogenierungsreaktor 4 abgegeben wird, sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite der Sub-Brennstoffzelle 5 zugeführt werden. Auf diese Weise ist es auch möglich, in der Sub-Brennstoffzelle 5 Elektrizität zu erzeugen. Ferner kann die Anordnung auch derart sein, dass der IPA und das Aceton, die von der Kathodenseite der Sub-Brennstoffzelle 5 abgegeben werden, getrennt werden, und nur der abgetrennte IPA zum IPA-Tank 8 zurückgeführt wird, während das Aceton zur Kathodenseite der Sub-Brennstoffzelle 5 zurückgeführt wird.
Im Übrigen wird in dieser thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung 100 die Wärme, die erzeugt wird, wenn die Sub-Brennstoffzelle 5 Elektrizität erzeugt, von dem Dehydrogenierungsreaktor 4 absorbiert, wie zuvor beschrieben. Jedoch sind, insbesondere in der ersten Ausführung, wie in 2 gezeigt, die Elektrizitätserzeugungsschichten 20, die Bauteile der Sub-Brennstoffzelle 5, und Reaktormodule (nachfolgend als Module bezeichnet) 30, die Kompositeinheiten des Dehydrogenierungsreaktors 4 sind, abwechselnd gestapelt, um den Dehydrogenierungsreaktor 4 und die Sub-Brennstoffzelle 5 zu integrieren, so dass die von den Elektrizitätserzeugungsschichten 20 erzeugte Wärme direkt auf die benachbarten Module 30 übertragen wird. In 2 bezeichnet das Bezugssymbol 17 Verbindungsleitungen zur seriellen elektrischen Verbindung der Elektrizitätserzeugungsschichten 20.
Hier wird die Wärme von der Sub-Brennstoffzelle 5 durch die thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung 100 selbst erzeugt, welche durch den geschlossenen Kreislauf gebildet wird, der den Dehydrogenierungsreaktor 4 und die Sub-Brennstoffzelle 5 enthält, und diese selbst erzeugte Wärme wird dem Dehydrogenierungsreaktor 4 zugeführt.
Wenn der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad dann, wenn die selbst erzeugte Wärme nicht genutzt ist, ηG ist, und der Brennstoffwärmenutzungsfaktor, wenn die von der Sub-Brennstoffzelle 5 erzeugte Wärme für die Dehydrogenierungsreaktion genutzt wird, ηH ist, wird der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad η in dem Fall, wo die selbst erzeugte Wärme genutzt wird, durch die folgende Gleichung ausgedrückt: η = ηG·ηH/{1 – ηH(1 – ηG)}
Demzufolge ist es, wenn die selbsterzeugte Wärme für die Dehydrogenierungsreaktion genutzt wird, möglich, den thermoelektrischen Umsetzungswirkungsgrad zu erhöhen. Zum Beispiel in dem Fall, wo die Betriebstemperatur des Dehydrogenierungsreaktors 4 100°C beträgt, ist der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad ηG, wenn die selbst erzeugte Wärme nicht genutzt wird, 21,6%, wohingegen der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad η in dem Fall, wo selbst erzeugte Wärme genutzt wird, und der Brennstoffwärmenutzungsfaktor ηH 90% beträgt, 66% ist, was eine angenähert dreifache Verbesserung ist, die den Carnot-Wirkungsgrad (29,8%) weit überschreitet.
Als nächstes folgt eine Beschreibung der Strukturen der Sub-Brennstoffzelle 5 und des Dehydrogenierungsreaktors 4 der ersten Ausführung.
3 ist eine Explosionsperspektivansicht der Sub-Brennstoffzelle 5. Eine Elektrizitätserzeugungsschicht 20 ist als rechteckige Schicht ausgebildet und aufgebaut durch Stapeln von Metallseparatoren 22 und 23, wie etwa rostfreiem Stahl oder dergleichen, auf beiden Seiten einer MEA 21. Acetonzufuhrlöcher 31, IPA-Zufuhrlöcher 32, Wasserstoffzufuhrlöcher 33 und Kühlmittelzufuhrlöcher 37 zum Zuführen von Kühlmittel zur Hauptbrennstoffzelle 2 zur Aufnahme der Wärme von der Hauptbrennstoffzelle (Wärmequelle) sind entlang der kurzen Seite der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 angeordnet, und durchsetzen sie in der Schichtrichtung, und Acetonabführlöcher 34 zum Abgeben von Aceton und IPA, die durch die Brennstoffzellenreaktion der Sub-Brennstoffzelle 5 erzeugt werden, Wasserstoff-Acetonabführlöcher 35 zum Abgegeben von Wasserstoff und Aceton, die durch Induzieren einer Dehydrogenierungsreaktion in IPA erzeugt werden, Wasserstoffabführlöcher 36 zum Abgegeben von nicht genutztem Wasserstoff, der nicht zur Brennstoffzellenreaktion der Sub-Brennstoffzelle 5 beigetragen hat, und Kühlmittelabführlöcher 38 zum Abgeben von Kühlmittel, das die Wärme zum Dehydrogenierungsreaktor 4 übertragen hat und abgekühlt ist, sind entlang der anderen kurzen Seite der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 angeordnet und durchsetzen sie in der Schichtrichtung. Die Acetonzufuhrlöcher 31 und die Acetonabführlöcher 34 sind auf einer Diagonalen der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 angeordnet, und die Wasserstoffzufuhrlöcher 33 und die Wasserstoffabführlöcher 36 sind auf der anderen Diagonalen der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 angeordnet. Die IPA-Zufuhrlöcher 32 und die Kühlmittelzufuhrlöcher 37 sind zwischen den Acetonzufuhrlöchern 31 und den Wasserstoffzufuhrlöchern 33 angeordnet, und die Wasserstoff-Acetonabführlöcher 35 und die Kühlmittelabführlöcher 38 sind zwischen den Acetonabführlöchern 34 und den Wasserstoffabführlöchern 36 angeordnet.
Ein vorbestimmter Bereich im Mittelteil einer Festpolymerelektrolytmembrane 5a der MEA 21 ist als Sandwich zwischen einer anderen Elektrode 5b und einer Kathodenelektrode 5c ausgebildet. Das Acetonzufuhrloch 31, das IPA-Zufuhrloch 32, das Wasserstoffzufuhrloch 33, das Acetonabführloch 34, das Wasserstoff-Acetonabführloch 35, das Wasserstoffabführloch 36, das Kühlmittelzufuhrloch 37 und das Kühlmittelabführloch 38 sind außerhalb der Anodenelektrode 5b und der Kathodenelektrode 5c in der Festpolymerelektrolytmembrane 5a angeordnet. In 3 ist die Anodenelektrode 5b, die an der Rückseite der Festpolymerelektrolytmembrane 5a angeordnet ist, nicht sichtbar. Der Teil, der von der Anodenelektrode 5b und der Kathodenelektrode 5c in der Elektrizitätserzeugungsschicht 20 enthalten ist, dient als Elektrizität erzeugende Oberfläche.
Ein Wasserstoffzufuhrweg 24 ist auf der Oberfläche des Separators 22 angeordnet, die zur Anodenelektrode 5b weist, als Zickzack-förmiger Kanal auf der Anodenseite, und das Wasserstoffzufuhrloch 33 und das Wasserstoffabführloch 36 des Separators 22 sind mit dem Wasserstoffzufuhrweg 24 verbunden. Dieser Wasserstoffzufuhrweg 24 ist in einem Bereich angeordnet, der der Anodenelektrode 5b entspricht (das heißt, dem Bereich, der der erzeugenden Oberfläche entspricht).
Ferner ist ein Acetonzufuhrweg 25 auf der Oberfläche des Separators 23 angeordnet, die zu der Kathodenelektrode 5c weist, als Zickzack-förmiger Kanal an der Kathodenseite, und das Acetonzufuhrloch 31 und das Acetonabführloch des Separators 23 sind durch den Acetonzufuhrweg 25 verbunden. Dieser Acetonzufuhrweg 25 ist in einem Bereich angeordnet, der der Kathodenelektrode 5c entspricht (das heißt, dem Bereich, der der erzeugenden Oberfläche entspricht).
Wenn die MEA 21 und die Separatoren 22 und 23 aufeinander gestapelt sind, fluchten die Acetonzufuhrlöcher 31, die IPA-Zufuhrlöcher 32, die Wasserstoffzufuhrlöcher 33, die Acetonabführlöcher 34, die Wasserstoff-Acetonabführlöcher 35, die Wasserstoffabührlöcher 36, die Kühlmittelzufuhrlöcher 37 und die Kühlmittelabführlöcher 38 der MEA 21 und die Separatoren 22 und 23 alle miteinander, um durchgehende Löcher zu bilden.
4 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, worin ein Querschnitt des Moduls 30 des Dehydrogenierungsreaktors schematisch gezeigt ist, und 5 ist eine Explosionsperspektivansicht des Moduls 30. 4 ist ein schematisches Diagramm, worin ein Teil der Struktur weggelassen ist, so dass sie nicht genau der 5 entspricht.
Das Modul 30 des Dehydrogenierungsreaktors 4 hat eine flache rechteckige Form, und die Konstruktion ist so, dass Katalysatorschichten 40 auf beide Seiten einer Zufuhr- und Abführschicht 50 gestapelt sind, wobei zwischen diesen Dichtschichten 60 eingefügt sind, und ferner Heizschichten 80 auf die Außenseite der Katalysatorschichten 40 gestapelt sind. Ähnlich der Anordnung im Fall der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Sub-Brennstoffzelle 5 sind ein Acetonzufuhrloch 31, ein IPA-Zufuhrloch 32, ein Wasserstoffzufuhrloch 33, ein Acetonabführloch 34, ein Wasserstoff-Acetonabführloch 35, ein Wasserstoffabführloch 36, ein Kühlmittelzufuhrloch 37 sowie ein Kühlmittelabführloch 38 vorgesehen, welche in der Schichtrichtung hindurchgehen.
Die Katalysatorschichten 40 sind rechteckig und flach und enthalten Metallsubstrate 41 aus Aluminium, rostfreiem Stahl oder dergleichen. Katalysatorlagen 44 sind auf Bereiche in den Mitten von Innenoberflächen (in anderen Worten der Oberflächen, die zu der Zufuhr- und Abfuhrschicht 50 weisen) der Substrate 41, die der Anodenelektrode 5b und der Kathodenelektrode 5c der Elektrizitätserzeugungsschicht 20 entsprechen (in anderen Worten, Bereichen, die den Elektrizitätserzeugungsoberflächen) gelegt. Die Katalysatorlagen 44 umfassen Ruthenium (Ru) als Dehydrogenierungskatalysator, der auf Aktivkohle getragen ist, und sie sind unter Verwendung von Polytetrafluorethylenharz (nachfolgend als PTFE abgekürzt) als Bindemittel zu Blättern ausgebildet, welche mit Klebstoff auf dem Substrat 41 befestigt ist.
Zusätzlich sind das Acetonzufuhrloch 31, das IPA-Zufuhrloch 32, das Wasserstoffzufuhrloch 33, das Acetonabführloch 34, das Wasserstoff-Acetonabführloch 35, das Wasserstoffabführloch 36, das Kühlmittelzufuhrloch 37 und das Kühlmittelabführloch 38 in Bereichen angeordnet, die von dem Katalysatorblatt 44 entfernt sind.
Die auf diese Weise aufgebaute Katalysatorschicht 40 ist dünn, und es kann für jene Teile, wo der Dehydrogenierungskatalysator angebracht ist, eine große Fläche genutzt werden.
Die Zufuhr- und Abführschicht 50 ist rechteckig und flach und enthält drei Metallsubstrate 51, 52 und 53 aus Aluminium, rostfreiem Stahl oder dergleichen. Ähnlich der Anordnung im Falle der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Sub-Brennstoffzelle 5 sind Acetonzufuhrlöcher 31, IPA-Zufuhrlöcher 32, Wasserstoffzufuhrlöcher 33, Acetonabführlöcher 34, Wasserstoff-Acetonabführlöcher 35, Wasserstoffabführlöcher 36, Kühlmittelzufuhrlöcher 37 und Kühlmittelabführlöcher 38 vorgesehen, welche in der Schichtrichtung durch die Zufuhr- und Abführschicht 50 hindurchgehen.
In dem mittleren Substrat 52 ist ein IPA-Zufuhrweg 54, der von der Oberseite zur Rückseite des Substrats 52 hindurchgeht, kammförmig angeordnet, wobei das IPA-Zufuhrloch 32 der Anfangspunkt ist, und ist über die Gesamtoberfläche hindurch ausgebildet, die den Katalysatorlagen 44 der Katalysatorschichten 40 entspricht. Ferner ist in diesem Substrat 52 ein Wasserstoffacetonabführweg 55, der von der Oberseite zur Rückseite des Substrats 52 hindurchgeht, kammförmig angeordnet, wobei das Wasserstoffacetonabführloch der Ausgangspunkt ist, und ist über die Gesamtfläche hinweg ausgebildet, die den Katalysatorlagen 44 der Katalysatorschichten 40 entspricht. Der IPA-Zufuhrweg 54 und der Wasserstoff-Acetonabführweg 55 sind in einer derartigen Form angeordnet, dass die Kammzahnteile in Eingriff stehen.
In den Substraten 51 und 53, die auf den zwei Seiten der Zufuhr- und Abführschicht 50 angeordnet sind, ist eine Anzahl von Zufuhrlöchern 56 mit vorbestimmtem Abstand entlang dem IPA-Zufuhrweg 54 des Substrats 52 angeordnet und ist eine Anzahl von Abführlöchern 57 mit einem vorbestimmten Abstand entlang dem Wasserstoff-Acetonabführweg 55 des Substrats 52 angeordnet. Diese Zufuhrlöcher 56 und Abführlöcher 56 sind einander benachbart angeordnet und über eine breite Fläche verteilt.
Diese drei Substrate 51, 52 und 53 sind integriert durch Verwendung mit einem geeigneten Verbindungsverfahren, wie etwa Diffusionsverklebung, Löten oder dergleichen, in einem Zustand, wodurch sie einen vollständigen Kontakt herstellen können, um die Zufuhr- und Abführschicht 50 zu bilden. Durch diese Verbindung werden die Öffnungen auf der Vorder- und Rückseite des IPA-Zufuhrwegs 54 und des Wasserstoff-Acetonabführwegs 55, die in dem Substrat 52 installiert sind, durch die Substrate 51 und 53 abgedichtet, und es bleiben nur die Zufuhrlöcher 56 und die Abführlöcher 57 offen.
Da auf diese Weise die Zufuhr- und Abführschicht 50 eine gestapelte Struktur aus drei Substraten 51, 52 und 53 aufweist, kann sie dünn gemacht werden, und es kann eine Anzahl von Zufuhrlöchern 56 und Abführlöchern 57 vorgesehen sein. Somit wird es möglich, eine große gesamte Öffnungsfläche der Zufuhrlöcher 56 und Abführlöcher 57 zu erhalten.
Die Dichtschichten 60, die zwischen den Katalysatorschichten und der Zufuhr- und Abfuhrschicht 50 eingefügt sind, sind rechteckig und angenähert flach, und sie sind aufgebaut, indem PTFE auf die Vorder- und Rückseite eines Metallsubstrats 61 aus rostfreiem Stahl oder dergleichen aufgelagert wird, wie in 6 gezeigt. Eine PTFE-Beschichtung 62 kann gebildet werden, indem eine Flüssigbeschichtung aus PTFE aufgesprüht wird und diese kalziniert wird, nachdem die zu beschichtende Oberfläche des Substrats 61 durch Sandstrahlen oder dergleichen aufgeraut worden ist.
Ähnlich der Anordnung im Fall der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Sub-Brennstoffzelle 5 sind Acetonzufuhrlöcher 31, IPA-Zufuhrlöcher 32, Wasserstoffzufuhrlöcher 33, Acetonabführlöcher 34, Wasserstoff-Acetonabführlöcher 35, Wasserstoffabführlöcher 36, Kühlmittelzufuhrlöcher 37 und Kühlmittelabführlöcher 38 vorgesehen, welche in der Dickenrichtung durch jede Dichtschicht 60 hindurchgehen.
Ferner sind in den Dichtschichten 60 Öffnungen 63 ausgebildet, die sich in dem Bereich öffnen, der den Katalysatorlagen 44 (in anderen Worten, dem Bereich, der der erzeugenden Oberfläche entspricht) der Katalysatorschichten 40 entspricht. In jeder Dichtschicht 60 sind die Bereiche, die das Acetonzufuhrloch 31, das IPA-Zufuhrloch 32, das Wasserstoffzufuhrloch 33, das Acetonabführloch 34, das Wasserstoff-Acetonabführloch 35, das Wasserstoffabführloch 36, das Kühlmittelzufuhrloch 37, das Kühlmittelabführloch 38 und die Öffnung 63 umgeben, Dichtungen, und in diesen Dichtungen sind Wülste 64 ausgebildet, wie in 6 gezeigt.
Die Heizschichten 80 sind ebenfalls rechteckig und flach und sind aus einem Metallsubstrat 81 aus Aluminium, rostfreiem Stahl oder dergleichen gebildet. Ähnlich der Anordnung im Fall der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Sub-Brennstoffzelle 5, sind Aceton-Zufuhrlöcher 34, IPA-Zufuhrlöcher 32, Wasserstoffzufuhrlöcher 33, Acetonabführlöcher 34, Wasserstoff-Acetonabführlöcher 35, Wasserstoffabführlöcher 36, Kühlmittelzufuhrlöcher 37 und Kühlmittelabführlöcher 38 vorgesehen und gehen in der Schichtrichtung durch diese Heizschichten 80 hindurch.
In jedem Substrat 81 der Heizschichten 80 ist ein Kühlmittelweg 82, der von der Oberseite zur Rückseite durch das Substrat 81 hindurch geht, in einer Zickzacklinie über die Gesamtfläche hinweg vorgesehen, die den Katalysatorblättern 44 der Katalysatorschichten 40 entspricht, und das Kühlmittelzufuhrloch 37 und das Kühlmittelabführloch 38 des Substrats 81 sind durch den Kühlmittelweg 82 verbunden. Kühlmittel, das beim Durchtritt durch die Hauptbrennstoffzelle 2 warm wird, fließt durch diesen Kühlmittelweg 82, so dass die Katalysatorschichten 40 erwärmt werden. Da insbesondere der Kühlmittelweg 82 entlang jeder Katalysatorlage 44 in einer Zickzacklinie vorgesehen ist, ist es möglich, die Katalysatorlagen 44 effizient zu erwärmen.
Das Modul 30 des Dehydrogenierungsreaktors 4 ist durch Stapeln der Katalysatorschichten 40 auf beiden Seiten der Zufuhr- und Abführschicht 50 ausgebildet, die auf diese Weise aufgebaut ist, wobei Dichtschichten 60 zwischen diesen eingefügt sind, und Stapeln der Heizschichten 80 auf die Außenseite der Katalysatorschichten 40, und es wird möglich, den Dehydrogenierungsreaktor 4 und die Sub-Brennstoffzelle 5 zu integrieren, indem die Module 30 und die Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Sub-Brennstoffzelle 5 abwechselnd gestapelt werden und diese mittels Bändern oder Bolzen ineinander befestigt werden, welche in der Figur nicht gezeigt sind. Hierbei ist es durch derartige Stapelung, dass die Elektrizitätserzeugungsschichten 20 und die Katalysatorschichten 40 des Dehydrogenierungsreaktors 4 miteinander Kontakt herstellen, möglich, selbsterzeugte Wärme der Sub-Brennstoffzelle 5 direkt auf die Katalysatorschichten 40 zu übertragen, so dass der Wärmeverlust dramatisch reduziert werden kann. Wenn ferner die Sub-Brennstoffzelle 5 und der Dehydrogenierungsreaktor 4 gestapelt sind, werden die Wülste 64 der Dichtschichten 60 elastisch verformt. Somit wird es möglich, sicherzustellen, dass der Oberflächendruck der Dichtabschnitte zwischen den Dichtschichten 60 und den Katalysatorschichten 40, oder der Zufuhr- und Abführschicht 50, eine vorbestimmte Höhe hat. Wenn darüber hinaus die PTFE-Beschichtungen 62 der Wülste 64 auf die Dichtoberfläche der Katalysatorschichten 40 oder die Zufuhr- und Abführschicht 50 gedrückt werden, ist es, da sich die PTFE-Beschichtungen 62 an winzige Unebenheiten der Dichtanflächen anpassen, möglich, eine extrem gute Abdichtung zu realisieren.
Ferner ist durch die derartige Stapelung eine Reaktionskammer 70, die ein Katalysatorblatt 44 enthält und durch die Dichtschicht 60 dicht verschlossen ist, zwischen jeder Katalysatorschicht 40 und Zufuhr- und Abführschicht 50 ausgebildet, wie in 4 und 6 gezeigt. In dieser Ausführung sind die PTFE-Beschichtungen 62 über die gesamten Vorder- und Rückflächen des Substrats 61 der Dichtschicht 60 hinweg ausgebildet. Wenn jedoch die PTFE-Beschichtungen 62 auf nur den Dichtflächen zwischen den Wülsten 64 und den Katalysatorschichten 40 ausgebildet sind, oder der Zuführ- und Abführschicht 50, ist es möglich, die gleichen Funktionen und Effekte wie oben zu erhalten.
Darüber hinaus sind durch die derartige Stapelung entsprechende Acetonzufuhrlöcher 31, IPA-Zufuhrlöcher 32, Wasserstoffzufuhrlöcher 33, Acetonabführlöcher 34, Wasserstoff-Acetonabführlöcher 35, Wasserstoffabführlöcher 36, Kühlmittelzufuhrlöcher 37 und Kühlmittelabführlöcher 38 der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 und der Module 30 alle miteinander verbunden, um Durchgangslöcher zu bilden. Hier sind die Enden jedes der Durchgangslöcher verschlossen.
Von dem Separator 6 abgetrennter Wasserstoff wird dem Wasserstoffzufuhrloch 33 der Sub-Brennstoffzelle 5 zugeführt, die in dieser Weise mit dem Dehydrogenierungsreaktor 4 integriert ist. Dieser Wasserstoff wird von dem Wasserstoffzufuhrloch 33 jedes der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Anodenelektrode 5b durch den Wasserstoffzufuhrweg 24 des Substrats 22 zugeführt, und nicht-reagierter Wasserstoff wird von dem Wasserstoffzufuhrweg 24 zum Wasserstoffabführloch 36 abgeführt. Der nicht-reagierte Wasserstoff, der von dem Wasserstoffabführloch 36 jeder der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 abgegeben wird, wird der Anodenseite (dem Wasserstoffzufuhrloch 30) der Sub-Brennstoffzelle 5 durch den Wasserstoffkreislauf 11 zurückgeführt, wie zuvor beschrieben.
Ferner wird das Aceton, das von dem Separator 6 abgetrennt worden ist, dem Acetonzufuhrloch 31 der Sub-Brennstoffzelle 5 zugeführt, die mit dem Dehydrogenierungsfaktor 4 integriert ist. Dieses Aceton wird von dem Acetonzufuhrweg 31 jeder der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Kathodenelektrode 5c durch den Acetonzufuhrweg 25 des Substrats 23 zugeführt, und das IPA, das durch die Wasserstoffreaktion erzeugt wird, wird von dem Acetonzufuhrweg 25 zu dem Acetonabfuhrloch 34 mit dem nicht-reagierten Aceton abgeführt. Dann werden das nicht-reagierte Aceton und der IPA, der von dem Acetonabführloch 34 jeder der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 abgegeben wird, zum IPA-Tank 8 zurückgeführt, wie zuvor beschrieben.
In der Sub-Brennstoffzelle 5 wird elektrische Energie durch eine Hydrogenierungsreaktion von Aceton erzeugt, und bei dieser Hydrogenierungsreaktion wird Wärme erzeugt. Dies ist die selbsterzeugte Wärme der thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung 100, und diese Wärme wird auf die Substrate 41 der Katalysatorschichten 40 der Module 3 in dem Dehydrogenierungsreaktor 4 über die Substrate 22 und 23 der Sub-Brennstoffzelle 5 überführt. Somit werden die Module 30 direkt erhitzt.
Andererseits wird der IPA über die IPA-Pumpe 9 dem IPA-Zufuhrloch 32 des Dehydrogenierungsreaktors 4 zugeführt, mit dem die Sub-Brennstoffzelle 5 integriert ist. Dieser IPA fließt von dem IPA-Zufuhrloch 32 jedes der Module 30 zu dem IPA-Zufuhrweg 44 des Substrats 52 und wird von den Zufuhrlöchern 56 der Substrate 51 und 53 zu den entsprechenden Reaktionskammern 70 ausgeworfen. Im Ergebnis wird der IPA den Katalysatorlagen 44 der Katalysatorschichten 40 zugeführt. Da insbesondere in dieser Ausführung eine Anzahl von Zuführlöchern 56 über angenähert die Gesamtfläche, die den Katalysatorlagen 44 entspricht, hinweg angeordnet ist, ist es möglich, einen gleichmäßigen flüssigen IPA-Film über angenähert die gesamten Oberflächen der Katalysatorlagen 44 hinweg auszubilden.
Wärme, die durch die Hydrogenierungsreaktion in den Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Sub-Brennstoffzelle 5 erzeugt wird (in anderen Worten die selbsterzeugte Wärme), wird den Katalysatorlagen 44 hinzugefügt, wie oben beschrieben, und Abwärme von der Hauptbrennstoffzelle 2 wird auch über den Kühlwasserkreislauf 3 hinzugefügt, der die Kühlmittelabführlöcher 38 und die Kühlmittelzufuhrlöcher 37 verbindet. Im Ergebnis induziert der IPA eine endotherme Dehydrogenierungsreaktion in dem Dehydrogenierungskatalysator der Katalysatorlagen 44, und es werden Wasserstoff und Aceton hergestellt. Der Wasserstoff und das Aceton sind in Dampfphasen, und werden von dem IPA als Flüssigfilm abgegeben. Es ist möglich, dass das Aceton eine Hydrogenierungsreaktion induziert und zum IPA zurückkehrt. Da jedoch in dieser Ausführung der IPA in einem flüssigen Film in den Katalysatorlagen 44 vorliegt, ist es daher möglich, die oben erwähnte Hydrogenierungsreaktion zu unterdrücken, und es wird möglich, eine hohe Umsetzungsrate zu erhalten, die die Gleichgewichts-Umsetzungsrate überschreitet. Hier bedeutet die Umsetzungsrate das Molverhältnis der erzeugten Wasserstoffmenge zur zugeführten IPA-Menge, und die Gleichgewichts-Umsetzungsrate bedeutet den Gleichgewichtswert der Umsetzungsrate, der bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck in einem bestimmten geschlossenen System thermodynamisch bestimmt wird.
Der Wasserstoff und das Aceton, die durch die endotherme Dehydrogenierungsreaktion in der Reaktionskammer 70 erzeugt werden, werden zu dem Wasserstoff-Acetonabführweg 55 eines Substrats 52 abgegeben, das durch die Abführlöcher 57 hindurch geht, die in den Substraten 51 und 53 der Zufuhr- und Abführschicht 50 vorgesehen sind, und wird weiter von dem Wasserstoff-Acetonabführweg 55 zu dem Wasserstoff-Acetonabführweg 35 abgegeben. Da insbesondere in dieser Ausführung eine Anzahl von Abführlöchern 57 über angenähert die Gesamtfläche, die den Katalysatorlagen 44 entspricht, hinweg angeordnet ist, ist es möglich, den Laufweg zu verkürzen, bis der erzeugte Wasserstoff und das Aceton in die Abführlöcher 57 einfließt. Somit wird es möglich, den Wasserstoff und das Aceton von der Reaktionskammer 70 rasch abzuführen, bevor das Aceton eine Hydrogenierungsreaktion induziert. Dann werden der Wasserstoff und das Aceton, die von dem Wasserstoff-Acetonabführloch 35 jeder der Elektrizitätserzeugungsschichten 20 abgegeben werden, zu dem Separator 6 überführt, wie zuvor beschrieben.
Auf diese Weise sind in dem Modul 30 dieses Dehydrogenierungsreaktors 4 die Zufuhrlöcher 56 und die Abführlöcher 57 auf dem selben Substrat 52 in der Zufuhr- und Abführschicht 50 angeordnet, und die Zufuhr von IPA und Abfuhr von Wasserstoff-Aceton erfolgen durch dasselbe Substrat 52. Somit wird es möglich, die Struktur der Zufuhr- und Abführschicht 50 zu vereinfachen und die Zufuhr- und Abführschicht dünn zu machen.
Da das Modul 30 dieses Dehydrogenierungsreaktors 4 durch Stapeln der Katalysatorschichten 40 aufgebaut ist, die dünn sind und eine große Fläche haben, auf der der Dehydrogenierungskatalysator getragen ist, und die Zufuhr- und Abführschicht 50, die dünn ist und eine große Gesamtöffnungsfläche für die IPA-Zufuhrlöcher 56 und die Wasserstoff-Acetonabführlöcher 57 aufweist, ist es möglich, dessen Leistung zu erhöhen, obwohl diese klein sind. Somit wird es möglich, die Dicke des Dehydrogenierungsreaktors 4 zu miniaturisieren und zu reduzieren und dessen Leistung anzuheben. Ferner wird es möglich, die Leistung des Dehydrogenierungsfaktors 4 auf leichte Weise zu verändern, indem einfach die Anzahl der Module 30 vergrößert oder verkleinert wird.
Da insbesondere in diesem Modul 30 die Katalysatorschichten 40 auf den Vorder- und Rückseiten der Zufuhr- und Abführschicht 50 angeordnet sind, und die Zufuhr von IPA und Abfuhr von Wasserstoff-Aceton an beiden Vorder- und Rückseiten der Zufuhr- und Abführschicht 50 durchgeführt werden, sind die Effekte der Miniaturisierung und Reduktion der Dicke des Moduls 30 und des Dehydrogenierungsreaktors 4 sowie die Erhöhung ihrer Leistungsfähigkeit, groß.
Da ferner die Dichtschicht 60 eine Struktur hat, in der PTFE auf das Metallsubstrat 61 aufgelagert ist und die Wülste 64 auf den Dichtungen ausgebildet sind, ist es möglich, die Dicke der Dichtschicht 60 zu reduzieren, während der Oberflächendruck erhalten bleibt, was auch zur Miniaturisierung des Moduls 30 beiträgt. Darüber hinaus begünstigt PTFE die Korrosionsbeständigkeit gegenüber Aceton, IPA und dergleichen und begünstigt auch die Wärmebeständigkeit, so dass sie unter den Temperaturbedingungen von 80 bis 150°C, wo die Dehydrogenierungsreaktionen durchgeführt werden, nicht altert und nicht zusammenbricht.
Wenn zum Beispiel Ethylenpropylendienmonomer (EPDM) oder dergleichen, das Aceton-beständig ist, in der oben beschriebenen Umgebung benutzt wird, tritt Lösungsmittel aus dem EPDM aus, was den Dehydrogenierungskatalysator vergiftet, und in den erzeugten Wasserstoff oder dergleichen eingemischt wird. Jedoch passiert dies mit PTFE nicht.
Da ferner die flachen Elektrizitätserzeugungsschichten 20, die die Sub-Brennstoffzelle 5 darstellen, und die flachen Module 30, die den Dehydrogenierungsreaktor 4 darstellen, gestapelt sind, ist es möglich, die Sub-Brennstoffzelle 5 und den Dehydrogenierungsreaktor 4 auf leichte Weise zu integrieren, was eine Miniaturisierung ermöglicht. Daher kann er leicht in ein Fahrzeug oder dergleichen eingebaut werden.
Darüber hinaus, wie zuvor beschrieben, da die thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung 100 als geschlossener Kreislauf aufgebaut ist, der den Dehydrogenierungsreaktor 4 und die Sub-Brennstoffzelle 5 enthält, wird die selbsterzeugte Wärme der Sub-Brennstoffzelle 5 dem Dehydrogenierungsreaktor 4 zugeführt, zur Nutzung bei der Dehydrogenierungsreaktion, ist der thermoelektrische Umsetzungswirkungsgrad hoch.
Da insbesondere in dieser ersten Ausführung die Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Sub-Brennstoffzelle 5 und die Module 30 des Dehydrogenierungsfaktors 4 gestapelt sind, ist es möglich, die Wärme, die durch die Elektrizitätserzeugungsschicht 20 erzeugt wird, direkt auf die Katalysatorschichten 40 der Module 30 zu übertragen. Somit wird es möglich, den Wärmeverlust dramatisch zu reduzieren und den Brennstoffwärmenutzungsfaktor ηH der selbsterzeugten Wärme zu erhöhen, was den Dehydrogenierungsreaktionswirkungsgrad des Dehydrogenierungsreaktors 4 erhöht. Im Ergebnis wird es möglich, den thermoelektrischen Umsetzungswirkungsgrad η zu erhöhen.
Da ferner die Wärme, die für die Dehydrogenierungsreaktion erforderlich ist, durch Abwärme von der Hauptbrennstoffzelle 2 und der Sub-Brennstoffzelle 5 zugeführt wird, ist es nicht notwendig, eine neue Wärmequelle für die Dehydrogenierungsreaktion bereitzustellen. Somit wird es möglich, die Systemstruktur zu vereinfachen und den Fahrzeugbrennstoffverbrauch durch die Energieersparnis zu verbessern.
Die Module 30 des Dehydrogenierungsreaktors 4 und die Elektrizitätserzeugungsschichten 20 der Sub-Brennstoffzelle 5 sind nicht immer abwechselnd gestapelt, und ein Modul 30 des Dehydrogenierungsreaktors 4 kann pro mehreren Elektrizitätserzeugungsschichten der Sub-Brennstoffzelle 5 gestapelt sein. Alternativ kann das Gegenteil angewendet werden und eine Elektrizitätserzeugungsschicht 20 der Sub-Brennstoffzelle 5 kann pro Mehrzahl von Modulen 30 des Dehydrogenierungsreaktors 4 gestapelt werden.
[Ausführung 2]
Das nächste ist eine Beschreibung einer zweiten Ausführung einer thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung in Bezug auf die Zeichnungen von 9 und 10.
9 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Fahrzeugbrennstoffzellensystems, das eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung 100 der zweiten Ausführung enthält, und 10 ist ein schematisches Diagramm der thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung 100.
In der zuvor beschriebenen ersten Ausführung sind die Module 30 und die Elektrizitätserzeugungsschichten 30 gestapelt, um den Dehydrogenierungsreaktor 4 und die Sub-Brennstoffzelle 5 zu integrieren. Jedoch sind in der zweiten Ausführung der Dehydrogenierungsreaktor 4 und die Sub-Brennstoffzelle 5 getrennte Einheiten. Der Dehydrogenierungsreaktor 4 ist aufgebaut, indem nur die Module 30 gestapelt sind, und die Sub-Brennstoffzelle 5 ist aufgebaut, indem nur die Elektrizitätserzeugungsschichten 20 gestapelt sind. Dann werden der Dehydrogenierungsreaktor 4 und die Sub-Brennstoffzelle 5 durch einen Kühlwasserkreislauf (einen Heizmediumkreislaufweg) 15 verbunden, und von der Sub-Brennstoffzelle 5 selbsterzeugte Wärme wird über das Kühlwasser auf den Dehydrogenierungsreaktor 4 übertragen.
In diesem Fall ist es wünschenswert, die Strömungsrate des Kühlwassers durch eine Kühlwasserpumpe 16 derart zu regeln, dass die Temperatur der Sub-Brennstoffzelle 5 eine vorbestimmte Temperatur hat.
Die Strukturen der anderen Teile sind die gleichen wie in der ersten Ausführung, so dass für die gleichen Teile die gleichen Bezugssymbole verwendet werden und die Beschreibungen weggelassen werden.
Auch ist es möglich, die von der Sub-Brennstoffzelle 5 selbsterzeugte Wärme dem Dehydrogenierungsreaktor 4 zuzuführen, um diese durch Verwendung der thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung 100 dieser zweiten Ausführung für eine Dehydrogenierungsreaktion zu nutzen. Somit wird es möglich, den thermoelektrischen Umsetzungswirkungsgrad zu erhöhen, ähnlich wie im Falle der ersten Ausführung.
Da ferner in dieser zweiten Ausführung der Dehydrogenierungsreaktor 4 und die Sub-Brennstoffzelle 5 separate Einheiten sind, ist es möglich, die Flexibilität in Form und Größe der thermoelektrischen Umsetzungsvorrichtung 100 sowie die Flexibilität in deren Layout zu vergrößern, und die Temperaturen der Brennstoffzelle und des Dehydrogenierungsreaktors individuell durch das Kühlwasser zu steuern. In dem Fall, wo die Temperatur des Kühlwassers durch die elektrische Stromerzeugung der Hauptbrennstoffzelle 2 erhöht wird, so dass die Temperatur des Kühlwassers höher als normal ist, kann es zum Beispiel durch einen Bypass hindurch fließen, der in der Figur nicht gezeigt ist, so dass es den Dehydrogenierungsreaktor 4 umgeht. Ferner ist es auch möglich, den Dehydrierungsbetrag zu erhöhen, indem die IPA-Menge erhöht wird, die dem Dehydrogenierungsreaktor 4 zugeführt wird.
[Andere Ausführungen]
Diese Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt.
Zum Beispiel wird in dem Dehydrogenierungsreaktor 4 der oben beschriebenen Ausführungen der IPA von einer Zufuhr- und Abführschicht 50 zwei Katalysatorschichten 40 zugeführt, die an beiden Vorder- und Rückseiten davon angeordnet sind, und Wasserstoff-Aceton, das von den zwei Katalysatorschichten 40 erzeugt wird, wird an die eine Zufuhr- und Abführschicht abgegeben. Jedoch kann die Zufuhr des IPA und die Abgabe des Wasserstoff-Acetons auch zwischen einer Zufuhr- und Abführschicht 50 und einer Katalysatorschicht 40 erfolgen, die an nur einer der Vorder- und Rückseiten davon angeordnet ist.
Ferner ist die zu dehydrogenierende organische Verbindung nicht auf IPA beschränkt, und es ist auch möglich, ein beliebiges der Familie von Decalin, 2-Propanol, Cyclohexanol, Cyclohexan, Methylcyclohexan, Dimethylcyclohexan oder dergleichen zu verwenden.
Ferner ist die dehydrogenierte Substanz nicht auf Aceton beschränkt, sondern wird durch die verwendete organische Verbindung bestimmt. Auch ist es möglich, anders als Aceton, ein beliebiges der Familie von Naphthalen, Cyclohexan, Benzol, Toluol, Xylol oder dergleichen zu verwenden.
Ferner wird die organische Verbindung den Katalysatorschichten 40 zugeführt, um einen flüssigen Film zu bilden. Jedoch ist sie nicht auf einen Flüssigfilmzustand beschränkt.
Darüber hinaus ist die Konstruktion derart, dass Wärme von der Hauptbrennstoffzelle 2 als Wärmequelle auf den Dehydrogenierungsreaktor 4 überführt wird. Jedoch ist sie nicht auf Abwärme der Hauptbrennstoffzelle 2 beschränkt, und es kann auch konventionell abgegebene Überschusswärme genutzt werden, zum Beispiel Abwärme vom Kühlwasser einer Brennkraftmaschine.
Während oben bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind, versteht es sich, dass diese als Beispiele der Erfindung und nicht als einschränkend zu verstehen sind. Es können Hinzufügungen, Weglassungen, Ersatz und andere Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist diese Erfindung nicht so zu verstehen, dass sie durch die vorstehende Beschreibung beschränkt ist, sondern nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt ist.
Eine thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung mit hohem thermoelektrischen Umsetzungswirkungsgrad umfasst: einen Dehydrogenierungsreaktor zum Erzeugen von Wasserstoff und Aceton durch eine endotherme Dehydrogenierungsreaktion von Isopropylalkohol in der Gegenwart eines Dehydrogenierungskatalysators und Wärme von einer Wärmequelle, sowie eine Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion des Wasserstoffs und des Acetons, die durch den Dehydrogenierungsreaktor erzeugt wurden, Elektrizität erzeugt. Ein Modul wird aufgebaut, indem der Dehydrogenierungsreaktor und eine Elektrizität erzeugende Schicht, die die Brennstoffzelle darstellt, in einen Stapel integriert werden.

Claims

Thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung (100) umfassend: einen Dehydrogenierungsreaktor (4; 30) zum Erzeugen von Wasserstoff und einer dehydrogenierten Substanz durch die endotherme Dehydrogenierungsreaktion einer organischen Verbindung in der Gegenwart eines Dehydrogenierungskatalysators (44) und Wärme von einer Wärmequelle; und eine Brennstoffzelle (5), die durch eine elektrochemische Reaktion des Wasserstoffs und der von dem Dehydrogenierungsreaktor (4) erzeugten dehydrogenierten Substanz Elektrizität erzeugt, wobei der Dehydrogenierungsreaktor (4) und die Brennstoffzelle (5) in einen Stapel integriert sind, wobei der Dehydrogenierungsreaktor (4; 30) durch Stapeln von Katalysatorschichten (40), die den Dehydrogenierungskatalysator (44) enthalten, und von Zufuhr- und Abfuhrschichten (50), die einen Zufuhrweg (54) zum Zuführen einer organischen Verbindung zu den Katalysatorschichten (40) sowie einen Abführweg (55) zum Abführen von Wasserstoff und der in den Katalysatorschichten (40) erzeugten dehydrogenierten Substanz aufweisen, aufgebaut ist; und eine Elektrizitätserzeugungsschicht (20) der Brennstoffzelle (5) in Kontakt mit der Katalysatorschicht (40) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht (40) und die Elektrizitätserzeugungsschicht (20) jeweils aus einem Metallsubstrat gebildet sind.
Thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Dehydrogenierungskatalysator (44) und die Elektrizität erzeugende Oberfläche der Elektrizitätserzeugungsschicht (20) so angeordnet sind, dass sie, wenn sie gestapelt sind, miteinander in Kontakt stehen.
Thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Katalysatorschichten (40) auf beiden Seiten der Zufuhr- und Abfuhrschicht (50) gestapelt sind und eine organische Verbindung, Wasserstoff und eine dehydrogenierte Substanz zwischen die Zufuhr- und Abfuhrschicht (50) und die auf beiden Seiten der Zufuhr- und Abfuhrschicht (50) gestapelten Katalysatorschicht (40) zugeführt und abgeführt werden.
Thermoelektrische Umsetzungsvorrichtung nach Anspruch 2, worin die Katalysatorschichten (40) auf beide Seiten der Zufuhr- und Abfuhrschicht (50) gestapelt sind und eine organische Verbindung, Wasserstoff und eine dehydrogenierte Substanz zwischen die Zufuhr- und Abfuhrschicht (50) und die Katalysatorschichten (40) auf beiden Seiten zugeführt und abgeführt werden.