EP1383599A2 - Vorrichtung zum erzeugen und/oder aufbereiten eines brennstoffs für eine brennstoffzelle - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen und/oder aufbereiten eines brennstoffs für eine brennstoffzelle

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EP1383599A2
EP1383599A2 EP02748669A EP02748669A EP1383599A2 EP 1383599 A2 EP1383599 A2 EP 1383599A2 EP 02748669 A EP02748669 A EP 02748669A EP 02748669 A EP02748669 A EP 02748669A EP 1383599 A2 EP1383599 A2 EP 1383599A2
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EP
European Patent Office
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layer
cooling
channel
heating
medium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02748669A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Prechtl
Markus HÖHN
Sven Theisen
Armin Bartsch
Günter HAUSINGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Prechtl Peter
Theisen Sven
Original Assignee
Prechtl Peter
Theisen Sven
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Filing date
Publication date
Application filed by Prechtl Peter, Theisen Sven filed Critical Prechtl Peter
Publication of EP1383599A2 publication Critical patent/EP1383599A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a device for producing and / or processing a fuel for a fuel cell, which has a number of individual components.
  • Fuel cells have been known for a long time and are becoming increasingly important in the automotive industry, for example. Of course, other possible uses for fuel cells are also conceivable. Examples include fuel cells for mobile devices such as computers or the like, right up to power plants. Here, fuel cell technology is particularly suitable for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.
  • a fuel cell for example a PEM fuel cell
  • electricity is generated by a chemical reaction.
  • a fuel such as hydrogen and an oxidizing agent such as oxygen from the air are converted into electrical energy and a reaction product such as water.
  • a fuel cell essentially consists of an anode part, a membrane and a cathode part.
  • the membrane consists of a gas-tight and proton-conducting material and is arranged between the anode and the cathode in order to exchange ions.
  • the fuel is supplied on the anode side, while the oxidant is supplied on the cathode side.
  • Protons or hydrogen ions are generated at the anode by catalytic reactions and move through the membrane to the cathode.
  • the hydrogen ions react with the oxygen and water is formed.
  • the electrons released during the reaction can be conducted as electrical current through a consumer, for example the electric motor of an automobile. If one wants to operate the fuel cell with a readily available or storable fuel, such as natural gas, methanol, gasoline or the like, the hydrocarbon must first be converted into a hydrogen-rich gas in an arrangement for producing and / or processing a fuel. This essentially decomposes to hydrogen and carbon dioxide.
  • carbon monoxide is also produced, which is a gas which is harmful to the fuel cell, since it renders the catalyst on the anode side ineffective and must therefore be removed before the fuel enters the fuel cell. From a certain concentration, the carbon monoxide in the fuel cell can result in the power output by the fuel cell being reduced and consequently in the efficiency of the fuel cell being greatly reduced.
  • the arrangement for producing and / or processing fuel generally consists of a number of individual components, which can be, for example, chemical reactors such as reformers, shift reactors, reactors for selective oxidation, evaporators, heat exchangers and the like.
  • exothermic reactions take place, which means that heat is released.
  • This heat must be dissipated, which can be done for example via a heat exchanger.
  • the medium must have a certain reaction temperature, for example, which can also be achieved by using heat exchangers.
  • One of these reactor elements is, for example, the evaporator. Heat must be supplied to the evaporator for operation. This is done, for example, using an appropriate heating element.
  • a starting material is reformed, for example, into a hydrogen-rich gas.
  • the reformer is used, for example, to make one from a hydrocarbon serving as a starting material, for example gasoline To produce fuel for the fuel cell.
  • a hydrocarbon serving as a starting material, for example gasoline
  • reactors which are filled with a catalyst based on bulk material (pellets).
  • Reactors are also known in which the catalyst is applied to monoliths (cf. exhaust gas catalyst in a motor vehicle).
  • monoliths cf. exhaust gas catalyst in a motor vehicle.
  • a heat exchanger is required to cool the process medium.
  • a mixing unit is also required in order to be able to meter air into the process medium.
  • a mixing section is required for homogeneous mixing of the very small volume of air.
  • the actual chemical reactor is also required, which is usually designed without its own cooling.
  • at least one further heat exchanger is required to cool the process medium upstream of the fuel cell. If necessary, the above-described required individual components of the device for generating and / or processing the fuel can form a system, with several such systems being able to be connected in series, depending on the embodiment.
  • the individual components of the device are initially available as components which are independent of one another and which, with the disadvantages described above, then have to be combined to form an overall system via corresponding line systems.
  • the present invention has for its object to provide a device for generating and / or processing a fuel for a fuel cell, with which the disadvantages described can be avoided.
  • a device is to be provided which can be manufactured compactly and with little space requirement and which at the same time is particularly powerful. Furthermore, an advantageous use of such a device is to be specified.
  • the invention is based on the basic idea that a device for producing and / or processing fuel for a fuel cell, which has a number of individual components, is designed as a layer sequence of individual layers with a channel structure, the device being designed as a single component in microstructure technology and whereby all individual components are integrated in the one, single component.
  • a device for generating and / or preparing a fuel for a fuel cell which has a number of individual components.
  • the device according to the invention is characterized in that the device is designed as a layer sequence of individual layers, with at least one first layer for passing a process medium through it, which at least in some areas has a channel structure with at least one channel, and with at least one second layer that has at least one component for Treatment of the process medium flowing through the at least one first layer has that the device is designed as a single component in microstructure technology and that all individual components are integrated in the one, single component.
  • microstructure technology is usually understood to mean structures which are in the size range in the range of less than one millimeter (1 ⁇ m to 1000 ⁇ m).
  • the sizes of the structures are not limited to these dimensions.
  • structures on the order of one may be required Represent zenith meter.
  • the systems are preferably particularly efficient today if the structures are in the order of magnitude between 100 ⁇ m and 1000 ⁇ m. It is important that a dimension of the duct dimension is already decisive for performance (eg duct height).
  • the channels have dimensions such as
  • Channel width 0.2 mm to 5 mm (or several centimeters)
  • Width or thickness of the channel walls 50 ⁇ m to 500 ⁇ m (or also in the range of
  • Length of the channels 1 mm to a few cm (10 cm, 20 cm)
  • the microstructures are built up by stacking the same or different layers on top of each other and connecting them using a suitable joining process (e.g. soldering, welding, gluing, clamping, ).
  • a suitable joining process e.g. soldering, welding, gluing, clamping, .
  • the structures are created by various methods. Examples are: etching, embossing, turning, milling, extruding, injection molding, forming, etc.
  • the device according to the invention is initially very powerful. Furthermore, the device requires only a small amount of space, so that it can be made very compact. The device can therefore advantageously be used wherever only a small amount of space is available.
  • a basic idea of the invention is that the device is designed as a layer sequence of individual layers. This has a number of advantages. It is thus possible in a simple and inexpensive manner to initially produce the individual layers of the device separately and then to join them to form the final device. Furthermore, the number and / or arrangement and / or sequence of the individual layers can also be varied, so that the device can be easily adapted to the prevailing requirements.
  • the layered design of the device also ensures that good heat transfer between the individual layers can be achieved.
  • the layer sequence initially consists of at least a first layer for passing the process medium through. Of course, more than one first layer can also be provided per device.
  • the first layer has, at least in regions, a channel structure with at least one channel.
  • the layer sequence consists of at least one second layer, which has at least one component for treating the medium flowing through the at least one first layer.
  • second layers can also be provided for each device. Non-exclusive examples of possible second layers are explained in more detail below.
  • treatment is understood to mean any type of action on the process medium.
  • Treatment can mean, for example, that the process medium changes, for example as a result of a chemical reaction, for example a catalytic reaction.
  • treatment can also mean that the physical state or the external state of the process medium changes without changing its chemical composition.
  • Treatment can therefore also mean that the process medium is merely heated or cooled, that it is evaporated or the like.
  • the invention is not limited to certain forms of treatment. Rather, these result from the respective field of application of the device.
  • the treatment of the process medium therefore includes any direct or indirect, external or internal influence on the process medium.
  • the first and second layers are combined to form a layer sequence or a layer stack.
  • the sequence pattern of the individual layers can be designed as desired. For example, it can be provided that a first and a second layer are always stacked on top of one another. Of course, several first and / or second layers can also be stacked directly on top of one another, then after several first and / or second layers each follow one or more layers of the other type. Irregular sequence patterns of the individual layers can thus also be implemented, so that the design of the device can be adapted precisely to the prevailing requirements.
  • the device is designed as a single component in microstructure technology.
  • the at least one channel of the at least one first layer is designed as a microchannel.
  • the further channels of the device described below can also be designed as microchannels.
  • the design in microstructure technology ensures that a large number of microchannels can be realized in the smallest space, the width and height of which are in the submillimeter range. For this reason, such devices have high specific surfaces, that is to say a high ratio of channel surface to channel volume.
  • appropriately designed devices which in this case are referred to as microreactors - as the name suggests - have a very high performance with only a small space requirement.
  • the advantage of the invention is therefore that the device is designed as a single component in microstructure technology.
  • the individual components are now integrated in the device, for example the connection technology (cooling water to and from the fuel cell), heat exchanger, mixing section, cooled chemical reactor and the like. So there is only a single component that takes up little space.
  • those individual components of the device which were previously separate, are provided by corresponding line systems connected, individual components were formed within the device in the first and second layers.
  • the at least one first layer and the at least one second layer can advantageously be thermally coupled to one another at least in regions. This means that the layers do not necessarily have to be directly connected to one another. In the light of the present invention, thermally coupled only means that heat exchange in the area of the thermal coupling should be possible. If the individual layers are stacked on top of one another as a layer sequence of individual layers, the thermal coupling advantageously comes about in that the individual layers are placed directly on top of one another. The heat exchange can then take place over the respective layer surfaces. This makes it possible in a simple manner that the heat generated in one layer can be easily transferred to or into another layer.
  • the at least one first layer can advantageously have at least one reaction passage, at least one reaction channel being formed in the reaction passage.
  • the reaction passage can act as the actual chemical reactor, for example.
  • the at least one first layer can have at least one cooling / heating passage, at least one cooling / heating channel being formed in the cooling / heating passage and wherein the cooling / heating passage seen before and in the flow direction of the process medium / or is provided after the reaction passage.
  • the process medium can, for example, be brought to the temperature required for the reaction in the reaction passage via the cooling / heating passage.
  • the cooling / heating passage is a cooling passage when the medium is to be cooled and a heating passage when the medium is to be heated.
  • the cooling / heating passage can be designed in different ways. Some non-exclusive examples are discussed in more detail below. Design variants are also conceivable in which the process medium leaving the reaction passage is in one subsequent cooling / heating passage is brought to a temperature required for further process steps.
  • the first layer has at least two individual components of the device, namely at least one reaction passage and at least one cooling / heating passage. At least one channel is provided for each passage.
  • the invention is not limited to a certain number of channels. In the simplest case, a single channel is provided for each passage. However, several channels can also advantageously be provided, which are then preferably arranged parallel to one another. The more channels are provided, the larger quantities of process medium can be passed through the device at the same time. On the one hand, this can significantly improve throughput. Furthermore, the installation space requirement of the device can be reduced, since the individual channels can be made significantly shorter compared to a single channel.
  • the invention is not restricted to a specific configuration and / or arrangement of the channels. Rather, the channel structure can have any dimension. In particular, the individual channels can have any size and cross-sectional shape.
  • the at least one reaction channel and / or the at least one cooling / heating channel can advantageously be coated with a reaction medium, preferably with a catalyst material.
  • the cooling / heating duct is advantageously used as a heating duct.
  • the at least one first layer can preferably have at least one mixing zone for mixing at least one further medium into the process medium have, the mixing zone seen in the flow direction of the process medium is provided before and / or after the reaction passage.
  • the mixing zone can be connected to the channel inlet of a reaction channel.
  • the process medium then enters the at least one reaction channel via the mixing zone.
  • the process medium can first be mixed with at least one further medium, for example with air, before it enters the reaction channel.
  • the mixing zone can advantageously be provided between the reaction passage and the cooling / heating passage, as seen in the flow direction of the process medium. It is conceivable that the mixing zone is connected to a channel outlet of the cooling / heating passage and to a channel inlet of the reaction passage. In this way, the process medium can first be brought to the desired temperature in the cooling / heating channel and mixed with other media in the subsequent mixing zone. This well-tempered mixture is then introduced into the reaction channel. In the embodiment described above, there are thus at least three individual components of the device on or in the first layer.
  • the at least one second layer can have at least one cooling / heating device for cooling / heating the process medium flowing through the at least one first layer.
  • these components are cooling or heating components, depending on whether the process medium is to be cooled or heated.
  • the invention is not restricted to specific embodiments for the cooling / heating device. It is only important that the device is able to bring the process medium to the required temperature.
  • thermal energy can be provided by means of suitable heating elements, heating cartridges and the like. These elements can then be arranged in the second layer.
  • the cooling / heating device has a channel structure with at least one channel, and that a corresponding cooling medium or heating medium flows through the channel.
  • the invention is not limited to the two exemplary examples mentioned above.
  • the at least one cooling / heating device of the at least one second layer can advantageously be thermally coupled to the reaction passage of the at least one first layer. This makes it possible, for example, to allow heat generated in the reaction passage during the reaction to be dissipated via the device, so that in this case it functions as a cooling device. Likewise, the heat required for a reaction can be supplied via the device, which then functions as a heating device, as required. Since the cooling / heating device is thermally coupled to the reaction passage, the required heat exchange can take place without any problems. The cooling / heating device is then a further individual component of the device, for example a heat exchanger.
  • At least one cooling / heating device of the at least one second layer can be thermally coupled to the cooling / heating passage of the at least one first layer.
  • a heat exchanger can be realized, for example, which cools or heats the process medium flowing through the cooling / heating passage to the required temperature.
  • the cooling / heating device can advantageously have at least one channel for passing a cooling / heating medium through it.
  • the cooling / heating device is constructed in a similar manner to the cooling / heating passage or the reaction passage, so that in this regard reference is also made to the corresponding statements above and reference is hereby made.
  • the at least one channel is particularly advantageously designed as a microchannel.
  • the at least one channel of the cooling / heating device can also be coated with a reaction medium, preferably with a catalyst material, in a manner analogous to the channels of the cooling / heating passage or the reaction passage.
  • the channels of the at least one cooling / heating device and the reaction passage and / or the cooling / heating passage can advantageously be aligned with one another in a cross-flow design.
  • the channels can also be aligned parallel to one another.
  • the device can be operated, for example, in the cocurrent principle or in the countercurrent principle.
  • the at least one second layer can preferably have at least one mixing zone for mixing at least one further medium into the process medium.
  • the individual first and second layers are advantageously layered one above the other in such a way that the mixing zones of the first and second layers come to lie directly one above the other. In this way, the mixing zones of the first and second layer (s) form a mixing room.
  • the mixing room is fed with the process medium via channels of the first layer.
  • the mixing room is additionally fed with another medium via the second layer.
  • the mixing zone of the at least one second layer is preferably connected to a corresponding medium inlet via at least one supply channel (of course, several, in particular, parallel, supply channels can also be provided).
  • the various media are mixed with one another in the mixing room before they enter the at least one reaction channel of the reaction passage as a media mixture from the mixing room.
  • At least one central inlet for the process medium is advantageously provided, the central inlet being connected to the at least one channel of the at least one first layer via a channel inlet.
  • at least one central outlet for the process medium can also be provided, the central outlet being connected to the at least one channel of the at least one first layer via a channel outlet.
  • the device according to the invention can be used particularly preferably in connection with a so-called CO pulser.
  • CO pulser for example, the space velocity can be increased considerably.
  • CO pulser for example, it is easily possible to prevent harmful influence of carbon monoxide (CO) on the fuel cell.
  • Such a CO pulser is described, for example, in DE 197 10 819 C1, the disclosure content of which is included in the description of the present invention.
  • a fuel cell is described in which performance losses due to impurities absorbed on the anode catalyst are to be avoided. This is achieved in that the fuel cell is connected to means which impart a positive voltage pulse to the anode of the fuel cell (CO pulses).
  • a pulse-shaped change in the anode potential is brought about by the stamping of the voltage pulse.
  • This pulsed change in the anode potential means that the carbon monoxide in the fuel cell is oxidized.
  • the voltage pulses can be impressed on the fuel cell, for example, by temporarily connecting an external DC voltage source to the fuel cell via a switch.
  • the fuel cell normally requires a CO concentration of less than 50 ppm. By increasing the space velocity, the component can be reduced enormously at the expense of the purity of the hydrogen generated (for example a factor of 5).
  • the gas stream fed into the fuel cell then typically contains 500 ppm CO, which, by using the CO pulser, leads to behavior comparable to that of 50 ppm CO in the fuel cell. This enables enormous space savings.
  • the device according to the invention described above can be part of a fuel cell system, for example, with at least one fuel cell and with a device for producing and / or preparing a fuel for the fuel cell, which is connected upstream of the fuel cell and - as described above.
  • the fuel cell can also be connected, at least temporarily, to a device for applying voltage pulses (CO pulser), as described above.
  • Such a fuel cell system makes it possible to produce the fuel required for operating the fuel cell in a particularly simple and reliable manner.
  • the fuel cell system can advantageously have more than one fuel cell, the individual fuel cells being combined to form a fuel cell stack, or fuel cell stack.
  • the device for producing and / or processing fuel generally consists of a number of individual components, which can be chemical reactors such as reformers, shift reactors, reactors for selective oxidation or the like. All of these reactors can be realized with the device according to the invention. Of course, embodiments of the device are also conceivable in which several chemical reactors are formed on or in the layers. Additional components such as evaporators, heat exchangers, catalytic burners and the like are also required to operate the chemical reactors. These components can also be implemented within the individual layers of the device according to the invention.
  • a device according to the invention as described above is therefore used particularly advantageously as a chemical reactor.
  • the advantageous replaceability will be illustrated below using a non-exclusive example.
  • the device should be designed as a chemical reactor for selective oxidation. If the device for generating and / or Processing fuel is designed as a reactor for selective oxidation, this can be constructed, for example, as follows:
  • the catalysts within the reaction passage can be selected so that they work with temperatures in the range 90-140 ° C. This enables the device to be automatically tempered with the cooling water drain of the fuel cell (80-90 ° C). The mass flow is large enough to drive the temperature in the integrated selective oxidation in a very narrow temperature range.
  • Such a reactor for selective oxidation can therefore, for example, be flanged directly to a fuel cell without the need for a pipe connection and control unit for cooling (a thermal unit). Furthermore, no piping, no gaps, no regulation and the like are necessary for the cooling.
  • At least one heat exchanger is integrated into the device, which serves to cool the supplied process medium.
  • a micromixer in the device allows the process medium to be mixed homogeneously with at least one further medium, for example with air, in the smallest space (for example 1-3 cm in length).
  • the device has a cooling / heating passage upstream of it (selective oxidation - reactor with water cooling passage). This enables exact temperature control to the cooling water temperature (e.g. 90-100 ° C).
  • the layout of the device also permits multi-stage air metering and reaction passage.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an inventive device for generating and / or processing a fuel, which is designed in the form of a reactor for selective oxidation.
  • FIG. 1 shows a device 10 for producing and / or processing a fuel, which is designed as a layer sequence of alternately stacked layers 11, 12 with a channel structure.
  • the device 10 is designed in microstructure technology and consists of a number of individual components, which are also designed in microstructure technology, and all of which are integrated in the device 10, so that it is designed as a single component.
  • a fuel for a fuel cell is brought to the required quality. Since the device 10 is designed as a chemical reactor for selective oxidation, the carbon monoxide content of the fuel is reduced to an acceptable level for the fuel cell.
  • the device 10 can be flanged directly to the fuel cell.
  • a process medium for example the fuel, is passed through the layers 11.
  • the layers 12 serve to treat the process medium flowing through the layers 11.
  • the process medium enters the channel inlet 30 via the central inlet 13 for the process medium and is distributed via this into cooling / heating channels 16 of a cooling / heating passage 15.
  • the cooling / heating passage 15 represents a first individual component of the device 10 and is formed in the layers 11.
  • the process medium flows through the channels 16 of the layers 11, the cooling / heating passage 15 serving in the present example as a cooling passage for the process medium.
  • a channel 18 adjoins the channels 16, in which the process medium is mixed with another medium, for example air. This is a further individual component of the device 10, which is formed in the layers 11.
  • a reaction passage 40 is then provided, as seen in the flow direction S of the process medium, which has a number of parallel reaction channels 17. This is the actual reaction passage, for example selective oxidation.
  • the process medium exits the device 10 via a channel outlet 31 and the central outlet 14.
  • Typical dimensions for the dimensions of the channels are:
  • a cooling / heating device 20 is provided in a layer 12 adjacent to the layer 11, which first consists of a first cooling / heating device 41.
  • the cooling / heating device 41 in turn has a number of channels 23.
  • a cooling medium flows through the channels 23, which enters the channels 23 via a cooling / heating medium inlet 21 and exits the channels 23 via a cooling / heating medium outlet 22.
  • the cooling channels 23 are aligned with the channels 16 for the process medium in a cross-flow construction, but can also be aligned in a parallel construction.
  • a further cooling / heating device 41 is provided, which is constructed in the same way as the device described above.
  • the cooling / heating devices 41 are further individual components of the device 10, for example appropriately designed heat exchangers. Since the layers 11 and 12 are thermally coupled, a sufficient heat exchange between the cooling / heating devices 41 on the one hand and the reaction passage 40 or the cooling / heating passage 15 on the other hand can easily take place.
  • the mixing zone 18 is constructed as follows.
  • a relatively wide channel 27 aligned with the channels 16 in a cross-flow design.
  • the medium for example process air, enters the channel 27 via a medium inlet 24.
  • Medium not used in the mixing zone 18 can exit from the channel 27 via a medium outlet 25.
  • a number of short supply channels 26 are provided, which are aligned in parallel flow construction with the channels 16 from layer 11 and which are connected to the channel 27.
  • the medium flowing through the channel 27 enters the mixing zone 18 via the feed channels 26.
  • the layers 11 and 12 are arranged one above the other in such a way that the mixing zones 18 of the individual layers 11 and 12 come to lie directly one above the other. In this way, a mixing space 19 is created.
  • the mixing space 19 is charged with process medium via the channels 16 and with another medium, for example with air, via the feed channels.
  • the number and design of the feed channels 26 ensure that the additional medium can enter the mixing space 19 over the entire width of the mixing zone 18, which leads to a particularly good, thorough mixing of the two media.
  • the medium mixture formed in this way is then introduced into the reaction channels 17, where the actual reaction takes place.
  • the heat generated during the reaction taking place in the reaction passage 40 is absorbed and transported away via the cooling / heating device 41 thermally coupled to the reaction passage 40, which in the present example is designed as a cooling device.
  • the heat is transferred to a cooling medium flowing through the channels 23.
  • the channels 23 in passage 20 can be coated with an oxidation catalyst so that unburned exhaust gases from the fuel cell burn and thus release heat.
  • 3 fluids are usually required for the preparation of fuel for fuel cells: 1. fuel (gasoline / natural gas), 2. water (steam), 3. air. These fluids must be mixed very homogeneously before entering the reformer. In order to achieve a very high integration density, it can make sense not only to meter in the air in the mixing passage but also all three necessary fluids (e.g.
  • the layers would then be arranged alternately (for example, 1st water or steam, 2nd gasoline / natural gas, 3rd air: stacking sequence, for example 1st, 2nd, 1st, 2nd 3rd etc.)
  • the passage 27 would then not more would connect the inlets 24 and 25 but would alternately be connected to 24 or 25 and could thus enable the described supply of gasoline / natural gas (for example 24) and air (for example 25) in a mixing unit.
  • the device described allows the high and low temperature shift catalytic converters to be fitted in the passages 16 and 17 and a reaction controlled by the cooling passages to take place.
  • the mixing passage is not absolutely necessary and can therefore be omitted.
  • the mixing passage can also be used to feed additional water vapor into the system in order to improve the mode of operation of the shift reactors.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung (10) zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle, die aus einer Anzahl von Einzelkomponenten besteht. Um die Vorrichtung besonders platzsparend und konstruktiv einfach ausbilden zu können, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Vorrichtung (10) als Schichtenfolge von Einzelschichten (11, 12) ausgebildet ist, mit wenigstens einer ersten Schicht (11) zum Hindurchleiten eines Prozessmediums, die wenigstens bereichsweise eine Kanalstruktur mit wenigstens einem Kanal (16, 17) aufweist, und mit wenigstens einer zweiten Schicht (12), die wenigstens eine Komponente zum Behandeln des durch die wenigstens eine erste Schicht (11) hindurchströmenden Prozessmediums aufweist. Weiterhin ist die Vorrichtung (10) als ein einziges Bauteil in Mikrostrukturtechnik ausgebildet. Dabei sind alle Einzelkomponenten in dem einen, einzigen Bauteil integriert.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle, wobei diese eine Anzahl von Einzelkomponenten aufweist.
Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und gewinnen beispielsweise im Bereich der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung. Natürlich sind auch andere Einsatzmöglichkeiten für Brennstoffzellen denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
In einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer PEM-Brennstoffzelle, wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff aus der Luft, in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt, wie beispielsweise Wasser, umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil, einer Membran und einem Kathodenteil. Die Membran besteht aus einem gasdichten und protonenleitenden Material und ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird der Brennstoff zugeführt, während auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen, beziehungsweise Wasserstoffionen, erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff und es bildet sich Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff, wie Erdgas, Methanol, Benzin oder dergleichen, betreiben, muß man den Kohlenwasserstoff in einer Anordnung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Dabei wird dieses im wesentlichen zu Wasserstoff und Kohlendioxid zersetzt.
Weiterhin entsteht ebenfalls Kohlenmonoxid, das ein für die Brennstoffzelle schädliches Gas darstellt, da es den Katalysator auf der Anodenseite unwirksam macht und deshalb vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle entfernt werden muß. In der Brennstoffzelle kann das Kohlenmonoxid ab einer bestimmten Konzentration dazu führen, daß sich die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung verringert und folglich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark reduziert wird.
Die Anordnung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten von Brennstoff besteht in der Regel aus einer Anzahl von einzelnen Komponenten, bei denen es sich beispielsweise um chemische Reaktoren wie Reformer, Shift-Reaktoren, Reaktoren für die selektive Oxidation, Verdampfer, Wärmetauscher und dergleichen handeln kann.
In einigen der genannten Komponenten, die wiederum aus einer Anzahl von Einzelelementen bestehen können, finden exotherme Reaktionen statt, das heißt es wird Wärme frei. Diese Wärme muß abgeführt werden, was beispielsweise über einen Wärmetauscher erfolgen kann. In anderen Komponenten muß das Medium beispielsweise eine bestimmte Reaktionstemperatur aufweisen, was ebenfalls durch den Einsatz von Wärmetauschern realisiert werden kann. Ebenso existieren Komponenten, bei denen Wärme benötigt wird. Eines dieser Reaktorelemente ist beispielsweise der Verdampfer. Dem Verdampfer muß zum Betrieb Wärme zugeführt werden. Dies geschieht beispielsweise über ein entsprechendes Heizelement.
In dem Reformer wird ein Ausgangsmaterial beispielsweise in ein wasserstoffreiches Gas reformiert. Der Reformer dient beispielsweise dazu, aus einem als Ausgangsstoff dienenden Kohlenwasserstoff, beispielsweise Benzin, einen Brennstoff für die Brennstoffzelle herzustellen. Dabei kann es je nach Ausgestaltung des Reformers erforderlich sein, daß auch diesem zum Betrieb Wärme zugeführt werden muß, was über entsprechend ausgestaltete Heizelemente erfolgen kann.
Sollten die Gehalte an schädlichen Bestandteilen für die Brennstoffzelle, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid, im Brennstoff nach dem Austritt aus dem Reformer noch zu hoch sein, können diese in einem nachgeschalteten Shift-Reaktor, beispielsweise durch eine homogene Wassergasreaktion, reduziert und anschließend in einem Reaktor zur selektiven Oxidation, beispielsweise zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, feingereinigt werden. Dadurch wird der CO-Gehalt auf für die Brennstoffzelle tolerierbare Werte reduziert.
Bisher ist es üblich, daß die Einzelkomponenten der Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten von Brennstoff jeweils als separate Komponenten vorliegen. Die Einzelkomponenten werden erst unabhängig voneinander hergestellt und anschließend zum Gesamtsystem zusammengefügt. Dies ist zum einen bauraumintensiv, und zum anderen konstruktiv aufwendig, da die einzelnen Komponenten miteinander verbunden werden müssen, was in der Regel über entsprechende Leitungssysteme geschieht. Diese Systeme besitzen viele Verbindungselemente, die damit einen erhöhten Montage bzw. Fertigungsaufwand mit sich ziehen. Die Syteme arbeiten unter Überdruck und teilweise sehr hohen Temperaturen. Diese Elemente stellen potentielle Leckagestellen dar. Die Kosten für diese Systeme sind entsprechen hoch.
Insbesondere für mobile Anwendungen ist jedoch die Verkleinerung der etablierten Technologien aus der großtechnischen Herstellung erforderlich. Zudem sind die Kosten und der Materialaufwand zu reduzieren.
Bisher existieren beispielsweise Reaktoren, die mit einem auf Schüttgut (Pellets) basierenden Katalysator gefüllt sind. Weiterhin sind Reaktoren bekannt, bei denen der Katalysator auf Monolithen aufgebracht ist (vgl. Abgas-Katalysator im KFZ). Wenn ein Prozeßmedium einen solchen Reaktor durchströmt, kommt es zu einer Reaktion zwischen dem Prozeßmedium und dem Katalysatormaterial. Solche Reaktionen sind häufig exotherm. Derartige Reaktoren haben den Nachteil, daß keine Integration von Wärmemanagement möglich ist.
Dies soll am Beispiel eines chemischen Reaktors zu selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid verdeutlicht werden. Dabei handelt es sich um eine stark exotherme Reaktion (Umwandlung von CO + 02 in CO2). Heutige Reaktoren zur selektiven Oxidation bestehen aus einer Anzahl von Einzelkomponenten.
Zunächst ist ein Wärmetauscher zum Abkühlen des Prozessmediums erforderlich. Weiterhin wird eine Mischeinheit benötigt, um dem Prozeßmedium Luft zudosieren zu können. Darüber hinaus ist eine Mischstrecke zur homogenen Vermischung des volumenmäßig sehr geringen Anteils der Luft erforderlich. Natürlich wird auch der eigentliche chemische Reaktor benötigt, der in der Regel ohne eine eigene Kühlung ausgebildet ist. Schließlich ist wenigstens ein weiterer Wärmetauscher zur Kühlung des Prozessmediums vor der Brennstoffzelle erforderlich. Gegebenenfalls können die vorstehend beschriebenen erforderlichen Einzelkomponenten der Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten des Brennstoffs ein System bilden, wobei je nach Ausführungsform mehrere solcher Systeme hintereinander geschaltet sein können.
Die Einzelkomponenten der Vorrichtung liegen zunächst als voneinander unabhängige Bauteile vor, die anschließend, mit den oben geschilderten Nachteilen, über entsprechende Leitungssysteme zu einem Gesamtsystem zusammengefügt werden müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, mit der die geschilderten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die kompakt und mit wenig Platzbedarf hergestellt werden kann und die gleichzeitig besonders leistungsstark ist. Weiterhin soll eine vorteilhafte Verwendung einer solchen Vorrichtung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie der Verwendung gemäß dem Patentanspruch 20, Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung. Merkmale und Details, die im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verwendung, und jeweils umgekehrt.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, daß eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten von Brennstoff für eine Brennstoffzelle, die eine Anzahl von Einzelkomponenten aufweist, als Schichtenfolge von Einzelschichten mit Kanalstruktur ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung als ein einziges Bauteil in Mikrostrukturtechnik ausgebildet ist und wobei alle Einzelkomponenten in dem einen, einzigen Bauteil integriert sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die eine Anzahl von Einzelkomponenten aufweist. Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Schichtenfolge von Einzelschichten ausgebildet ist, mit wenigstens einer ersten Schicht zum Hindurchleiten eines Prozeßmediums, die wenigstens bereichsweise eine Kanalstruktur mit wenigstens einem Kanal aufweist, und mit wenigstens einer zweiten Schicht, die wenigstens eine Komponente zum Behandeln des durch die wenigstens eine erste Schicht hindurchströmenden Prozeßmediums aufweist, daß die Vorrichtung als ein einziges Bauteil in Mikrostrukturtechnik ausgebildet ist und daß alle Einzelkomponenten in dem einen, einzigen Bauteil integriert sind. Unter dem Begriff Mikrostrukturtechnik werden üblicherweise Strukturen verstanden, die in Größenbereichen im Bereich unter einem Millimeter (1 um bis 1000 um) liegen. In der vorliegenden Anmeldung sind die Größen der Strukturen nicht auf diese Dimensionen beschränkt. Es kann beispielsweise erforderlich sein Strukturen in der Größenordnung von einem Zenitmeter darzustellen. Vorzugsweise werden die Systeme heute besonders effizient, wenn die Strukturen in Größenordnungen zwischen 100 um und 1000 um liegen. Wichtig ist hierbei, dass bereits eine Dimension des Kanalmaßes schon für die Leistungsfähigkeit ausschlaggebend ist (z.B. Kanalhöhe). Die Kanäle haben damit Maße wie z.B.
Kanalbreite: 0,2 mm bis 5 mm (oder auch mehrer Zentimeter)
Kanalhöhe: 0,1 mm bis 1 mm (oder auch mehr),
Breite bzw. Dicke der Kanalwände: 50 um bis 500 um (oder auch im Bereich von
Millimetern)
Länge der Kanäle: 1 mm bis einige cm (10 cm, 20 cm)
Meistens werden die MikroStrukturen durch das übereinander Stapeln von gleichen oder verschiedenen Schichten aufgebaut und durch ein geeignetes Fügeverfahren miteinander verbunden (z.B. Löten, Schweißen, Kleben, Spannen, ...). Die Strukturen werden durch verschiedene Verfahren erzeugt. Beispiele sind: Ätzen, Prägen, Drehen, Fräsen, Extrudieren, Spritzgießen, Umformen, usw.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zunächst sehr leistungsfähig. Weiterhin benötigt die Vorrichtung nur einen geringen Platzbedarf, so daß sie sehr kompakt ausgebildet werden kann. Die Vorrichtung kann daher vorteilhaft überall dort eingesetzt werden, wo nur ein geringes Platzangebot zur Verfügung steht.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung als Schichtenfolge von Einzelschichten ausgebildet ist. Das hat eine Reihe von Vorteilen. So ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, die einzelnen Schichten der Vorrichtung zunächst separat herzustellen und anschließend zu der endgültigen Vorrichtung zusammenzufügen. Weiterhin kann auch die Anzahl und/oder Anordnung und/oder Abfolge der Einzelschichten variiert werden, so daß die Vorrichtung bequem an die jeweils herrschenden Anforderungen angepaßt werden kann. Durch die schichtförmige Ausgestaltung der Vorrichtung wird schließlich auch erreicht, daß ein guter Wärmeübergang zwischen den einzelnen Schichten realisiert werden kann. Die Schichtenfolge besteht zunächst aus wenigstens einer ersten Schicht zum Hindurchleiten des Prozeßmediums. Natürlich können pro Vorrichtung auch mehr als eine erste Schicht vorgesehen sein. Die erste Schicht weist wenigstens bereichsweise eine Kanalstruktur mit wenigstens einem Kanal auf. Einige nichtausschließliche Beispiele, wie eine solche erste Schicht aussehen könnte, werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher dargestellt.
Weiterhin besteht die Schichtenfolge aus wenigstens einer zweiten Schicht, die wenigstens eine Komponente zum Behandeln des durch die wenigstens eine erste Schicht hindurchströmenden Mediums aufweist. Auch hier können pro Vorrichtung natürlich auch mehrere zweite Schichten vorgesehen sein. Nicht ausschließliche Beispiele für mögliche zweite Schichten werden im weiteren Verlauf näher erläutert.
Als Behandeln wird im Lichte der vorliegenden Erfindung jede Art von Einwirkung auf das Prozeßmedium verstanden. Behandeln kann beispielsweise bedeuten, daß sich das Prozeßmedium, beispielsweise durch eine chemische Reaktion, etwa eine katalytische Reaktion, verändert. Behandeln kann aber auch bedeuten, daß sich der Aggregatzustand oder der äußere Zustand des Prozeßmediums verändert, ohne daß sich dessen chemische Zusammensetzung ändert. Behandeln kann somit auch bedeuten, daß das Prozeßmedium lediglich erwärmt oder gekühlt wird, daß es verdampft wird oder dergleichen. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Formen der Behandlung beschränkt. Diese ergeben sich vielmehr nach dem jeweiligen Einsatzgebiet der Vorrichtung. Das Behandeln des Prozeßmediums umfaßt deshalb jegliche direkte oder indirekte, äußere oder innere Einwirkung auf des Prozeßmedium.
Die ersten und zweiten Schichten werden zu einer Schichtenfolge beziehungsweise zu einem Schichtenstapel zusammengefügt. Dabei kann das Abfolgemuster der einzelnen Schichten beliebig ausgebildet sein. So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß abwechselnd immer eine erste und eine zweite Schicht übereinandergestapelt sein. Natürlich können auch mehrere erste und/oder zweite Schichten direkt übereinander gestapelt werden, wobei dann nach mehreren ersten und/oder zweiten Schichten jeweils eine oder mehrere Schichten der jeweils anderen Sorte folgen. Damit sind auch unregelmäßige Abfolgemuster der Einzelschichten realisierbar, so daß die Ausgestaltung der Vorrichtung den jeweils herrschenden Anforderungen genauestens angepaßt werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung als ein einziges Bauteil in Mikrostrukturtechnik ausgebildet. Dabei ist insbesondere vorgesehen, daß der wenigstens eine Kanal der wenigstens einen ersten Schicht als Mikrokanal ausgebildet ist. Selbstverständlich können auch die nachfolgend beschriebenen, weiteren Kanäle der Vorrichtung ebenfalls als Mikrokanäle ausgebildet sein. Durch die Ausgestaltung in Mikrostrukturtechnik wird erreicht, daß auf kleinstem Raum eine große Anzahl von Mikrokanälen realisiert werden kann, deren Breite und Höhe im Submillimeterbereich liegt. Aus diesem Grund verfügen derartige Vorrichtungen über hohe spezifische Oberflächen, das heißt über ein hohes Verhältnis von Kanaloberfläche zu Kanalvolumen. Weiterhin weisen entsprechend ausgebildete Vorrichtungen, die in diesem Fall als Mikroreaktoren bezeichnet werden - wie dies der Name bereits sagt - bei nur geringem Platzbedarf eine sehr hohe Leistungsfähigkeit auf.
Alle Einzelkomponenten der Vorrichtung sind nun in dem einen, einzigen Bauteil integriert. Das hat den Vorteil, daß die bisher erforderlichen Leitungssysteme und Anschlußsysteme zwischen den einzelnen Komponenten entfallen können. Dadurch wird der konstruktive Aufbau der Vorrichtung erheblich vereinfacht. Weiterhin ist eine enorme Platzersparnis realisierbar.
Der Vorteil der Erfindung besteht somit darin, daß die Vorrichtung als ein einziges Bauteil in Mikrostrukturtechnik ausgebildet ist. In der Vorrichtung sind die Einzelkomponenten nunmehr integriert, beispielsweise die Anschlußtechnik (Kühlwasser von und zur Brennstoffzelle), Wärmetauscher, Mischstrecke, gekühlter chemischer Reaktor und dergleichen. Es liegt also nur noch ein einziges Bauteil vor, das nur einen geringen Platzbedarf beansprucht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind nun diejenigen Einzelkomponenten der Vorrichtung, die bisher als separate, durch entsprechende Leitungssysteme verbundene, Einzelkomponenten vorlagen, innerhalb der Vorrichtung in den ersten und zweiten Schichten ausgebildet. Nachfolgend werden einige nicht ausschließliche Beispiele beschrieben, wie dies geschehen kann.
Vorteilhaft können die wenigstens eine erste Schicht und die wenigstens eine zweite Schicht zumindest bereichsweise thermisch miteinander gekoppelt sein. Das bedeutet, daß die Schichten nicht unbedingt direkt miteinander verbunden sein müssen. Thermisch gekoppelt bedeutet im Lichte der vorliegenden Erfindung lediglich, daß ein Wärmeaustauch im Bereich der thermischen Kopplung möglich sein soll. Wenn die einzelnen Schichten als Schichtenfolge von Einzelschichten übereinander gestapelt sind, kommt die thermische Kopplung vorteilhaft dadurch zustande, daß die einzelnen Schichten direkt aufeinander gelegt werden. Über die jeweiligen Schichtoberflächen kann dann der Wärmeaustausch erfolgen. Dadurch wird es auf einfache Weise möglich, daß die in einer Schicht erzeugte Wärme problemlos auf beziehungsweise in eine andere Schicht übertragen werden kann.
Vorteilhaft kann die wenigstens eine erste Schicht wenigstens eine Reaktionspassage aufweisen, wobei in der Reaktionspassage wenigstens ein Reaktionskanal ausgebildet ist. Die Reaktionspassage kann beispielsweise als der eigentliche chemische Reaktor fungieren.
In weiterer Ausgestaltung kann die wenigstens eine erste Schicht wenigstens eine Kühl/Heiz-Passage aufweisen, wobei in der Kühl/Heiz-Passage wenigstens ein Kühl/Heiz-Kanal ausgebildet ist und wobei die Kühl/Heiz-Passage in Strömungsrichtung des Prozeßmediums gesehen vor und/oder nach der Reaktionspassage vorgesehen ist. Über die Kühl/Heiz-Passage kann das Prozeßmedium beispielsweise auf die für die Reaktion in der Reaktionspassage erforderliche Temperatur gebracht werden. Dabei handelt es sich bei der Kühl/Heiz- Passage um eine Kühl-Passage, wenn das Medium gekühlt werden soll und um eine Heiz-Passage, wenn das Medium erwärmt werden soll. Die Kühl/Heiz-Passage kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Einige nichtausschließliche Beispiele werden weiter unten näher erläutert. Ebenso sind Ausgestaltungsvarianten denkbar, bei denen das die Reaktionspassage verlassende Prozeßmedium in einer anschließenden Kühl/Heiz-Passage auf eine für weitere Prozeßschritte erforderliche Temperatur gebracht wird.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist die erste Schicht wenigstens zwei Einzelkomponenten der Vorrichtung auf, nämlich wenigstens eine Reaktionspassage und wenigstens eine Kühl/Heiz-Passage. Pro Passage ist wenigstens ein Kanal vorgesehen. Jedoch ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Kanälen beschränkt. Im einfachsten Fall ist pro Passage jeweils ein einziger Kanal vorgesehen. Vorteilhaft können jedoch auch mehrere Kanäle vorgesehen sein, die dann vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind. Je mehr Kanäle vorgesehen sind, desto größere Mengen an Prozeßmedium können gleichzeitig durch die Vorrichtung hiundurchgeleitet werden. Dadurch kann zum einen der Durchsatz erheblich verbessert werden. Weiterhin kann der Bauraumbedarf der Vorrichtung reduziert werden, da die einzelnen Kanäle im Vergleich zu einem einzigen Kanal wesentlich kürzer ausgebildet sein können.
Weiterhin ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung und/oder Anordnung der Kanäle beschränkt. Vielmehr kann die Kanalstruktur jede beliebige Dimensionierung haben. Insbesondere können die einzelnen Kanäle jede beliebige Größe und Querschnittsform aufweisen.
Vorteilhaft kann der wenigstens eine Reaktionskanal und/oder der wenigstens eine Kühl/Heiz-Kanal mit einem Reaktionsmedium, vorzugsweise mit einem Katalysatormaterial, beschichtet sein. In einem solchen Fall wird der Kühl/Heiz-Kanal vorteilhaft als Heizkanal verwendet. Wenn das Prozeßmedium einen entsprechend beschichteten Kanal durchströmt, reagiert es mit dem Katalysatormaterial. Diese Reaktionen sind zumeist exotherm, so daß dabei Wärme entsteht. Diese Wärme muß anschließend abgeführt werden, was beispielsweise über die in der zweiten Schicht vorgesehenen Einzelkomponenten der Vorrichtung erfolgen kann, wie im weiteren Verlauf noch näher erläutert wird.
Vorzugsweise kann die wenigstens eine erste Schicht wenigstens eine Mischzone zum Hinzumischen wenigstens eines weiteren Mediums zum Prozeßmedium aufweisen, wobei die Mischzone in Strömungsrichtung des Prozeßmediums gesehen vor und/oder nach der Reaktionspassage vorgesehen ist. Beispielsweise kann die Mischzone mit dem Kanal-Eintritt eines Reaktionskanals verbunden sein. Das Prozeßmedium tritt dann über die Mischzone in den wenigstens einen Reaktionskanal ein. In der Mischzone kann das Prozeßmedium zunächst noch mit wenigstens einem weiteren Medium, beispielsweise mit Luft, vermischt werden, bevor es in den Reaktionskanal eintritt.
Wenn die erste Schicht neben der Reaktionspassage auch eine Kühl/Heiz-Passage aufweist, kann die Mischzone vorteilhaft in Strömungsrichtung des Prozeßmediums gesehen zwischen der Reaktionspassage und der Kühl/Heiz-Passage vorgesehen sein. So ist es denkbar, daß die Mischzone jeweils mit einem Kanal-Austritt der Kühl/Heiz-Passage sowie mit einem Kanal-Eintritt der Reaktionspassage verbunden ist. Das Prozeßmedium kann auf diese Weise in dem Kühl/Heiz-Kanal zunächst auf die gewünschte Temperatur gebracht und in der sich anschließenden Mischzone mit weiteren Medien vermischt werden. Anschließend wird dieses wohltemperierte Gemisch in den Reaktionskanal eingeleitet. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform befinden sich somit zumindest drei Einzelkomponenten der Vorrichtung auf beziehungsweise in der ersten Schicht.
In weiterer Ausgestaltung kann die wenigstens eine zweite Schicht wenigstens eine Kühl/Heiz-Einrichtung zum Kühlen/Heizen des die wenigstens eine erste Schicht durchströmenden Prozeßmediums aufweisen. Somit sind in der zweiten Schicht weitere Einzelkomponenten der Vorrichtung realisiert. Bei diesen Komponenten handelt es sich im vorliegenden Fall um Kühl- beziehungsweise Heiz-Komponenten, je nach dem, ob das Prozeßmedium gekühlt oder erwärmt werden soll. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen für die Kühl/Heiz-Einrichtung beschränkt. Wichtig ist lediglich, daß die Einrichtung in der Lage ist, daß Prozeßmedium auf eine jeweils erforderliche Temperatur zu bringen.
Beispielsweise ist es denkbar, daß eine dafür erforderliche Wärmeenergie elektrisch erzeugt wird. In diesem Fall kann die Bereitstellung von Wärmeenergie mittels geeigneter Heizelemente, Heizpatronen und dergleichen erfolgen. Diese Elemente können dann in der zweiten Schicht angeordnet sein. In anderer Ausgestaltung ist es denkbar, daß die Kühl/Heiz-Einrichtung eine Kanalstruktur mit wenigstens einem Kanal aufweist, und daß durch den Kanal ein entsprechendes Kühlmedium oder Heizmedium hindurchstömt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beiden vorgenannten, exemplarischen Beispiele beschränkt.
Vorteilhaft kann die wenigstens eine Kühl/Heiz-Einrichtung der wenigstens einen zweiten Schicht thermisch mit der Reaktionspassage der wenigstens einen ersten Schicht gekoppelt sein. Dadurch kann beispielsweise ermöglicht werden, daß in der Reaktionspassage während der Reaktion entstehende Wärme über die Einrichtung abgeführt werden kann, so daß diese in diesem Fall als Kühl-Einrichtung fungiert. Ebenso kann - je nach Bedarf - über die Einrichtung, die dann als Heiz-Einrichtung fungiert, die für eine Reaktion erforderliche Wärme zugeführt werden. Da die Kühl/Heiz-Einrichtung mit der Reaktionspassage thermisch gekoppelt ist, kann der erforderliche Wärmeaustausch problemlos stattfinden. Bei der Kühl/Heiz-Einrichtung handelt es sich dann um eine weitere Einzelkomponente der Vorrichtung, beispielsweise um einen Wärmetauscher.
In weiterer Ausgestaltung kann wenigstens eine Kühl/Heiz-Einrichtung der wenigstens einen zweiten Schicht thermisch mit der Kühl/Heiz-Passage der wenigstens einen ersten Schicht gekoppelt sein. Auf diese Weise läßt sich, analog zu den vorstehenden Ausführungen, beispielsweise ein Wärmetauscher realisieren, der daß die Kühl/Heiz-Passage durchströmende Prozeßmedium auf die erforderliche Temperatur kühlt beziehungsweise erwärmt.
Vorteilhaft kann die Kühl/Heiz-Einrichtung wenigstens einen Kanal zum Hindurchleiten eines Kühl/Heiz-Mediums aufweisen. In diesem Fall ist die Kühl/Heiz- Einrichtung in ähnlicher Weise wie die Kühl/Heiz-Passage oder die Reaktionspassage aufgebaut, so daß diesbezüglich auch auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben Bezug genommen und hiermit verwiesen wird. Besonders vorteilhaft ist der wenigstens eine Kanal als Mikrokanal ausgebildet. Auch der wenigstens eine Kanal der Kühl/Heiz-Einrichtung kann in analoger Weise wie die Kanäle der Kühl/Heiz-Passage oder der Reaktionspassage mit einem Reaktionsmedium, vorzugsweise mit einem Katalysatormaterial, beschichtet sein.
Vorteilhaft können die Kanäle der wenigstens einen Kühl/Heiz-Einrichtung sowie der Reaktionspassage und/oder der Kühl/Heiz-Passage in Kreuzstrombauweise zueinander ausgerichtet sein. Natürlich können die Kanäle auch parallel zueinander ausgerichtet sein. In diesem Fall kann die Vorrichtung beispielsweise im Gleichstromprinzip, oder aber im Gegenstromprinzip, betrieben werden.
Vorzugsweise kann die wenigstens eine zweite Schicht wenigstens eine Mischzone zum Hinzumischen wenigstens eines weiteren Mediums zum Prozeßmedium aufweisen. Dabei sind die einzelnen ersten und zweiten Schichten vorteilhaft so übereinander geschichtet, daß die Mischzonen der ersten und zweiten Schichten jeweils direkt übereinander zu liegen kommen. Auf diese Weise bilden die Mischzonen der ersten und zweiten Schicht(en) einen Mischraum.
Der Mischraum wir über Kanäle der ersten Schicht mit dem Prozeßmedium beschickt. Über die zweite Schicht wird der Mischraum zusätzlich mit einem weiteren Medium beschickt. Dazu ist die Mischzone der wenigstens einen zweiten Schicht vorzugsweise über wenigstens einen Zufuhrkanal (natürlich können auch mehrere, insbesondere parallel ausgerichtete, Zufuhrkanäle vorgesehen sein) mit einem entsprechenden Medium-Einlaß verbunden. Im Mischraum werden die verschiedenen Medien miteinander vermischt, bevor sie als Mediengemisch aus dem Mischraum in den wenigstens einen Reaktionskanal der Reaktionspassage eintreten.
Da alle Einzelkomponenten der Vorrichtung in einem einzigen Bauteil integriert sind, ist vorteilhaft wenigstens ein zentraler Einlaß für das Prozeßmedium vorgesehen, wobei der zentrale Einlaß über einen Kanal-Eintritt mit dem wenigstens einen Kanal der wenigstens einen ersten Schicht verbunden ist. In ähnlicher Weise kann auch wenigstens ein zentraler Auslaß für das Prozeßmedium vorgesehen sein, wobei der zentrale Auslaß über einen Kanal-Austritt mit dem wenigstens einen Kanal der wenigstens einen ersten Schicht verbunden ist. Besonders bevorzugt läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung im Zusammenhang mit einem sogenannten CO-Pulser einsetzen. In Verbindung mit einem CO-Pulser kann beispielsweise die Raumgeschwindigkeit erheblich erhöht werden. Mit einem CO-Pulser ist es beispielsweise auf einfache Weise möglich, eine schädliche Einflußnahme von Kohlenmonoxid (CO) auf die Brennstoffzelle zu verhindern. Ein solcher CO-Pulser ist beispielsweise in der DE 197 10 819 C1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit einbezogen wird. Hier wird eine Brennstoffzelle beschrieben, bei der Leistungseinbußen auf Grund von am Anodenkatalysator absorbierten Verunreinigungen vermieden werden sollen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Brennstoffzelle mit Mitteln verbunden ist, die der Anode der Brennstoffzelle einen positiven Spannungspuls aufprägen (CO-Pulse). Durch die Aufprägung des Spannungspulses wird eine pulsförmige Änderung des Anodenpotentials bewirkt. Durch diese pulsförmige Änderung des Anodenpotentials wird erreicht, daß das in der Brennstoffzelle befindliche Kohlenmonoxid oxidiert wird. Die Spannungspulse können beispielsweise auf die Brennstoffzelle aufgeprägt werden, indem eine externe Gleichspannungsquelle über einen Schalter zeitweilig mit der Brennstoffzelle verbunden wird.
Eine Schaltungsanordnung für einen solchen CO-Pulser ist weiterhin in der von der Anmelderin eingereichten, älteren Patentanmeldung DE 100 20 126.1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insoweit ebenfalls in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit aufgenommen wird.
Normalerweise benötigt die Brennstoffzelle eine CO-Konzentration von weniger als 50 ppm. Durch Erhöhung der Raumgeschwindigkeit kann das Bauteil auf Kosten der Reinheit des erzeugten Wasserstoffs enorm verkleinert werden (beispielsweise Faktor 5). Der in die Brennstoffzelle zugeleitete Gasstrom enthält dann typischerweise 500 ppm CO, welches durch den Einsatz des CO-Pulsers zu einem vergleichbaren Verhalten wie bei 50 ppm CO in der Brennstoffzelle führt. Dadurch sind enorme Raumeinsparungen möglich. Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise Bestandteil eines Brennstoffzellensystems sein, mit wenigstens einer Brennstoffzelle und mit einer der Brennstoffzelle vorgeschalteten - und wie vorstehend beschriebenen - Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs für die Brennstoffzelle. Optional kann die Brennstoffzelle auch noch zumindest zeitweilig mit einer wie weiter oben beschriebenen Einrichtung zum Aufprägen von Spannungspulsen (CO-Pulser) verbunden sein.
Durch ein solches Brennstoffzellensystem wird es möglich, den für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlichen Brennstoff besonders einfach und zuverlässig herzustellen. Vorteilhaft kann das Brennstoffzellensystem mehr als eine Brennstoffzelle aufweisen, wobei die einzelnen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stack, beziehungsweise Brennstoffzellenstapel, zusammengefaßt sind.
Die Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten von Brennstoff besteht in der Regel aus einer Anzahl von einzelnen Komponenten, bei denen es sich um chemische Reaktoren wie Reformer, Shift-Reaktoren, Reaktoren für die selektive Oxidation oder dergleichen handeln kann. All diese genannten Reaktoren lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisieren. Natürlich sind auch Ausgestaltungsformen der Vorrichtung denkbar, in denen mehrere chemische Reaktoren auf beziehungsweise in den Schichten ausgebildet sind. Zum Betrieb der chemischen Reaktoren sind weiterhin zusätzliche Komponenten wie Verdampfer, Wärmetauscher, katalytische Brenner und dergleichen erforderlich. Auch diese Komponenten können innerhalb der einzelnen Schichten der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert werden.
Besonders vorteilhaft wird eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung deshalb als chemischer Reaktor verwendet.
Die vorteilhafte Ersetzbarkeit soll nachfolgend anhand eines nichtausschließlichen Beispiels verdeutlicht werden. Dabei soll die Vorrichtung als chemischer Reaktor zur selektiven Oxidation ausgebildet sein. Wenn die Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten von Brennstoff als Reaktor zur selektiven Oxidation ausgebildet ist, kann diese beispielsweise wie folgt aufgebaut sein:
Die Katalysatoren innerhalb der Reaktionspassage können so ausgewählt werden, daß sie mit Temperaturen im Bereich 90 - 140 °C arbeiten. Dies ermöglicht die automatische Temperierung der Vorrichtung mit dem Kühlwasserabfluß der Brennstoffzelle (80-90°C). Der Massenstrom ist ausreichend groß, um die Temperatur in der integrierten selektiven Oxidation in einem sehr engen Temperaturbereich zu fahren.
Ein solcher Reaktor zur selektiven Oxidation kann deshalb beispielsweise direkt an eine Brennstoffzelle angeflanscht werden, ohne daß eine Rohrverbindung und Regelungseinheit für die Kühlung erforderlich wäre (eine thermische Einheit). Es sind weiterhin keine Verrohrung, keine Zwischenräume, keine Regelung und dergleichen für die Kühlung notwendig.
In die Vorrichtung ist wenigstens ein Wärmetauscher integriert, der zur Abkühlung des zugeführten Prozeßmediums dient.
Ein Mikromischer in der Vorrichtung erlaubt die homogene Vermischung des Prozeßmediums mit wenigstens einem weiteren Medium, beispielsweise mit Luft, auf kleinstem Raum (beispielsweise 1-3 cm Länge).
Die Vorrichtung verfügt neben der Reaktionspassage über eine dieser vorgeschaltete Kühl/Heiz-Passage (Selektive Oxidation - Reaktor mit Wasserkühlpassage). Dadurch ist eine exakte Temperierung auf die Kühlwassertemperatur (z.B. 90-100°C) möglich.
Schließlich erlaubt das Layout der Vorrichtung auch eine mehrstufige Luftzudosierung und Reaktionspassage.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs, die in Form eines Reaktors zur selektiven Oxidation ausgebildet ist.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs dargestellt, die als Schichtenfolge von jeweils abwechselnd aufeinander angeordneten (gestapelten) Schichten 11 , 12 mit Kanalstruktur ausgebildet ist. Die Vorrichtung 10 ist in Mikrostrukturtechnik ausgebildet und besteht aus einer Anzahl von Einzelkomponenten, die ebenfalls in Mikrostrukturtechnik ausgebildet sind, und die allesamt in der Vorrichtung 10 integriert sind, so daß diese als ein einziges Bauteil ausgebildet ist.
In der Vorrichtung 10 zum Erzeugen und/oder Aufbereiten wird ein Brennstoff für eine nicht dargestellte Brennstoffzelle auf die erforderliche Qualität gebracht. Da die Vorrichtung 10 als chemischer Reaktor zu selektiven Oxidation ausgebildet ist, wird in dieser der Kohlenmonoxidgehalt des Brennstoffs auf ein für die Brennstoffzelle erträgliches Maß reduziert. Die Vorrichtung 10 kann direkt an der Brennstoffzelle angeflanscht sein.
Durch die Schichten 11 wird ein Prozeßmedium, beispielsweise der Brennstoff, geleitet. Die Schichten 12 dienen zum Behandeln des die Schichten 11 durchströmenden Prozeßmediums. Das Prozeßmedium tritt über den zentralen Einlaß 13 für das Prozeßmedium in einen Kanal-Eintritt 30 und wird über diesen in Kühl/Heiz-Kanäle 16 einer Kühl/Heiz-Passage 15 verteilt. Die Kühl/Heiz-Passage 15 stellt eine erste Einzelkomponente der Vorrichtung 10 dar und ist in den Schichten 11 ausgebildet. Das Prozeßmedium durchströmt die Kanäle 16 der Schichten 11 , wobei die Kühl/Heiz-Passage 15 im vorliegenden Beispiel als Kühlpassage für das Prozeßmedium dient. An die Kanäle 16 schließt sich eine Mischzone 18 an, in der das Prozeßmedium mit einem weiteren Medium, beispielsweise Luft, vermischt wird. Hierbei handelt es sich um eine weitere Einzelkomponente der Vorrichtung 10, die in den Schichten 11 ausgebildet ist. Anschließend ist - in Strömungsrichtung S des Prozeßmediums gesehen - eine Reaktionspassage 40 vorgesehen, die eine Anzahl parallel ausgerichteter Reaktionskanäle 17 aufweist. Hierbei handelt es sich um die eigentliche Reaktionspassage, beispielsweise die selektive Oxidation. Nach Beendigung der Reaktion tritt das Prozeßmedium über einen Kanal-Austritt 31 und den zentralen Auslaß 14 aus der Vorrichtung 10 aus.
Typische Maße für die Dimensionen der Kanäle sind:
Kanalbreite: 0,3 mm bis 5 mm
Kanalhöhe: 0,1 bis 1 mm
Kanallänge: einige cm
Wandstärken: 0,1 bis 0,5 mm
Zur Kühlung des Prozeßmediums in der Kühl/Heiz-Passage 15 ist in einer der Schicht 11 benachbarten Schicht 12 eine Kühl/Heiz-Vorrichtung 20 vorgesehen, die zunächst aus einer ersten Kühl/Heiz-Einrichtung 41 besteht. Die Kühl/Heiz- Einrichtung 41 wiederum weist eine Anzahl von Kanälen 23 auf. Die Kanäle 23 werden von einem Kühlmedium durchströmt, das über einen Kühl/Heizmedium- Eintritt 21 in die Kanäle 23 eintritt und über einen Kühl/Heizmedium-Austritt 22 aus den Kanälen 23 austritt. Die Kühlkanäle 23 sind zu den Kanälen 16 für das Prozeßmedium in Kreuzstrombauweise ausgerichtet, können aber ebenso auch in Parallelbauweise ausgerichtet sein.
Im Bereich der Reaktionspassage 40 in Schicht 11 ist eine weitere Kühl/Heiz- Einrichtung 41 vorgesehen, die in gleicher Weise wie die zuvor beschriebene Einrichtung aufgebaut ist. Bei den Kühl/Heiz-Einrichtungen 41 handelt es sich um weitere Einzelkomponenten der Vorrichtung 10, beispielsweise um entsprechend ausgebildete Wärmetauscher. Da die Schichten 11 und 12 thermisch gekoppelt sind, kann auf einfache Weise ein ausreichender Wärmeaustausch zwischen den Kühl/Heiz-Einrichtungen 41 einerseits und der Reaktionspassage 40 beziehungsweise der Kühl/Heiz-Passage 15 andererseits stattfinden.
Zwischen den Kanälen 16 der Kühl/Heiz-Passage 15 und den Kanälen 17 der Reaktionspassage 40 befindet sich die Mischzone 18, in der dem Prozeßmedium ein weiteres Medium, beispielsweise Luft, zugemischt wird. Um auf einfache Weise eine vollständige Durchmischung der beiden Medien zu erreichen, ist die Mischzone 18 wie folgt aufgebaut. In der Schicht 12 ist zunächst ein in Kreuzstrombauweise zu den Kanälen 16 ausgerichteter, relativ breiter Kanal 27 vorgesehen. Das Medium, beispielsweise Prozeßluft, tritt über einen Medium-Einlaß 24 in den Kanal 27 ein. In der Mischzone 18 nicht verbrauchtes Medium kann über einen Medium-Auslaß 25 aus dem Kanal 27 austreten. Um das zusätzliche Medium in den Prozeßmediumstrom einmischen zu können, sind eine Anzahl von kurzen Zufuhrkanälen 26 vorgesehen, die in Parallelstrombauweise zu den Kanälen 16 aus Schicht 11 ausgerichtet sind, und die mit dem Kanal 27 verbunden sind. Das den Kanal 27 durchströmende Medium tritt über die Zufuhrkanäle 26 in die Mischzone 18 ein. Die Schichten 11 und 12 sind dabei derart übereinander angeordnet, daß die Mischzonen 18 der einzelnen Schichten 11 und 12 direkt übereinander zu liegen kommen. Auf diese Weise entsteht ein Mischraum 19. Der Mischraum 19 wird über die Kanäle 16 mit Prozeßmedium und über die Zufuhrkanäle mit einem weiteren Medium, beispielsweise mit Luft, beschickt.
Durch die Anzahl und Ausgestaltung der Zufuhrkanäle 26 wird gewährleistet, daß das zusätzliche Medium über die gesamte Breite der Mischzone 18 in den Mischraum 19 eintreten kann, was zu einer besonders guten, vollständigen Durchmischung der beiden Medien führt.
Das auf diese Weise entstandene Mediumgemisch wird anschließend in die Reaktionskanäle 17 eingeleitet, wo die eigentliche Reaktion stattfindet. Die bei der ablaufenden Reaktion in der Reaktionspassage 40 entstehende Wärme wird über die mit der Reaktionspassage 40 thermisch gekoppelte Kühl/Heiz-Einrichtung 41 , die im vorliegenden Beispiel als Kühl-Einrichtung ausgebildet ist, aufgenommen und abtransportiert. Dazu wird die Wärme auf ein die Kanäle 23 durchströmendes Kühlmedium übertragen.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten des beschriebenen Reaktoraufbaus sind in der nachfolgenden Aufzählung angegeben, die allerdings nicht abschließend ist. Es versteht sich, dass auch andere Anwendungsmöglichkeiten denkbar sind: 1. Darüber hinaus sind natürlich auch beliebige Kombinationen der hier beschriebenen Lösungen denkbar. Vorrichtung zum Erwärmen, Verdampfen und Überhitzen von Prozessluft für ein Brennstoffzellensystem mit integriertem Mischer (18, 19, 24, 25, 26, 27) für die Zudosierung von Prozessgasen. In dieser Einheit wird die für die Verdampfung bzw. Überhitzung notwendige Wärme beispielsweise durch heiße verbrannte Brennstoffzellen Abgase bereitgestellt. Diese Gase werden den Wärmetauscherpassagen 20 (jetzt Heizpassagen) zugeführt und beispielsweise in Kreuz-Gegenstrombauweise (Serienschaltung der Passagen 20 mit Flussrichtung gegen Prozessgasstrom) durch die Heizpassagen 20 geleitet. Sollten noch unverbrannte Abgase vorliegen, die noch Energie enthalten, können diese in den Kanälen 23 der Passagen 20 (katalytisch) verbrannt werden. Die dabei entstehende Wärme kann dann zum beheizen des Prozessgases dienen. Zu diesem Zweck können die Kanäle 23 in Passage 20 mit Oxidations-Katalysator beschichtet sein damit unverbrannte Abgase der Brennstoffzelle verbrennen und somit Wärme freisetzen. Für die Aufbereitung von Kraftstoff für Brennstoffzellen sind in der Regel 3 Fluide notwendig: 1. Kraftstoff (Benzin/ Erdgas), 2. Wasser (-dampf), 3. Luft. Diese Fluide müssen vor dem Eintritt in den Reformer sehr homogen vermischt sein. Um eine sehr hohen Integrationsdichte zu erzielen, kann es sinnvoll sein, in der Mischpassage nicht nur die Luft zuzudosieren sondern gleich alle drei notwendigen Fluide (z.B. Benzin, Wasser, Luft für ein Benzinsystem oder Erdgas, Wasser, Luft für ein Erdgassystem) in einer Passage zu vermischen. Dabei würden dann die Schichten beispielsweise alternierend angeordnet (z.B. 1. Wasser bzw. -dampf, 2. Benzin/Erdgas, 3. Luft: Stapelfolge z.B. 1. 2. 3. 1. 2. 3. usw. Die Passage 27 würde dann nicht mehr die Zufuhren 24 und 25 verbinden sondern wäre abwechselnd mit 24 oder 25 verbunden und könnte somit die beschriebene Zufuhr von Benzin/Erdgas (z.B. 24) und Luft (z.B. 25) in einer Mischeinheit ermöglichen.
2. Vorrichtung für einen mehrstufigen Shiftreaktor mit angepassten Temperaturzonen oder Temperaturgradienten. Bei der Aufbereitung von Brennstoff für ein Brennstoffzellensystem muss nach dem Reformer (T ca. 700- 800°C) der CO-Anteil im Prozessgas reduziert werden. Dies wird durch Shiftreaktoren (T ca. 200 -400°C) erreicht. Hierbei gilt, je höher die Temperatur des Prozessgases ist, desto höher ist der CO Anteil im Prozessgas. Mit sinkender Temperatur wird das CO im Shiftreaktor in CO2 umgewandelt. Allerdings erwärmt sich das Gas wieder bei diesem Prozess. Zudem läuft die Reaktion bei höheren Temperaturen (400°C) schneller ab als bei tieferen Temperaturen (200°C). Es ist daher erwünscht die Shiftreaktion zunächst kontrolliert bei höheren Temperaturen ablaufen zu lassen und danach bei tieferen Temperaturen. Die beschriebene Vorrichtung erlaubt es in den Passagen 16 und 17 den Hoch- bzw. Tieftemperaturshift-Katalysator anzubringen und eine durch die Kühlpassagen kontrollierte Reaktion ablaufen zu lassen. In diesem Fall ist die Mischpassage nicht unbedingt erforderlich und kann deshalb weggelassen werden. Die Mischpassage kann jedoch auch dazu verwendet werden zusätzlichen Wasserdampf in das System einzuspeisen um eine Verbesserung der Wirkungsweise der Shiftreaktoren zu erzielen.
3. Vorrichtung wie beschrieben jedoch wiederholen sich die funktionalen Einheiten mehrfach, so dass auch ein Reaktor mit mehreren Shiftstufen und Stufen für die Selektive Oxidation integriert werden kann.
4. Vorrichtung wie beschrieben jedoch mit zusätzlich integriertem Reformer und Verdampfer/Mischer, so dass ein vollständig integriertes System entsteht.
Bezugszeichenliste
10 = Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs
11 = erste Schicht
12 = zweite Schicht
13 = zentraler Einlaß für ein Prozeßmedium
14 = zentraler Auslaß für ein Prozeßmedium
15 = Kühl/Heiz-Passage
16 = Kühl/Heiz-Kanal
17 = Reaktionskanal
18 = Mischzone
19 = Mischraum
20 = Kühl/Heiz-Vorrichtung
21 = Kühl/Heizmedium-Eintritt
22 = Kühl/Heizmedium-Austritt
23 = Kanal
24 = Medium-Einlaß
25 = Medium-Auslaß
26 = Zufuhrkanal
27 = Kanal
30 = Kanal-Eintritt
31 = Kanal-Austritt
40 = Reaktionspassage
41 = Kühl/Heiz-Einrichtung
Strömungsrichtung des Prozeßmediums

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle, mit einer Anzahl von Einzelkomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) als Schichtenfolge von Einzelschichten (11 , 12) ausgebildet ist, mit wenigstens einer ersten Schicht (11) zum Hindurchleiten eines Prozeßmediums, die wenigstens bereichsweise eine Kanalstruktur mit wenigstens einem Kanal (16, 17) aufweist, und mit wenigstens einer zweiten Schicht (12), die wenigstens eine Komponente zum Behandeln des durch die wenigstens eine erste Schicht (11) hindurchströmenden Prozeßmediums aufweist, daß die Vorrichtung (10) als ein einziges Bauteil in Mikrostrukturtechnik ausgebildet ist und daß alle Einzelkomponenten in dem einen, einzigen Bauteil integriert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kanal (16, 17) der wenigstens einen ersten Schicht (11) als Mikrokanal ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine erste Schicht (11) und die wenigstens eine zweite Schicht (12) zumindest bereichsweise thermisch miteinander gekoppelt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine erste Schicht (11) wenigstens eine Reaktionspassage (40) aufweist und daß in der Reaktionspassage (40) wenigstens ein Reaktionskanal (17) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine erste Schicht (11) wenigstens eine Kühl/Heiz-Passage (15) aufweist, daß in der Kühl/Heiz-Passage (15) wenigstens ein Kühl/Heiz-Kanal (16) ausgebildet ist und daß die Kühl/Heiz-Passage (15) in Strömungsrichtung (S) des Prozeßmediums gesehen vor und/oder nach der Reaktionspassage (40) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Reaktionskanal (17) und/oder der wenigstens eine Kühl/Heiz- Kanal (16) mit einem Reaktionsmedium, vorzugsweise einem Katalysatormaterial, beschichtet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine erste Schicht (11) wenigstens eine Mischzone (18) zum Hinzumischen wenigstens eines weiteren Mediums zum Prozeßmedium aufweist und daß die Mischzone (18) in Strömungsrichtung (S) des Prozeßmediums gesehen vor und/oder nach der Reaktionspassage (40) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, soweit auf einen der Ansprüche 5 oder 6 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischzone (18) in Strömungsrichtung (S) des Prozeßmediums gesehen zwischen der Reaktionspassage (40) und der Kühl/Heiz-Passage (15) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine zweite Schicht (12) wenigstens eine Kühl/Heiz-Einrichtung (41) zum Kühlen/Heizen des die wenigstens eine erste Schicht (11) durchströmenden Prozeßmediums aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, soweit auf einen der Ansprüche 4 bis 8 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kühl/Heiz- Einrichtung (41) der wenigstens einen zweiten Schicht (12) thermisch mit der Reaktionspassage (40) der wenigstens einen ersten Schicht (11) gekoppelt ist.
11.Vorrichtung nach Anspruch 9, soweit auf einen der Ansprüche 5 bis 8 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kühl/Heiz- Einrichtung (41) der wenigstens einen zweiten Schicht (12) thermisch mit der Kühl/Heiz-Passage (15) der wenigstens einen ersten Schicht (11) gekoppelt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl/Heiz-Einrichtung (41) wenigstens einen Kanal (23) zum Hindurchleiten eines Kühl/Heiz-Mediums aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kanal (23) mit einem Reaktionsmedium, vorzugsweise einem Katalysatormaterial, beschichtet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (23, 16, 17) der wenigstens einen Kühl/Heiz-Einrichtung (41) sowie der Reaktionspassage (40) und/oder der Kühl/Heiz-Passage (15) in Kreuzstrombauweise zueinander ausgerichtet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine zweite Schicht (12) wenigstens eine Mischzone (18) zum Hinzumischen wenigstens eines weiteren Mediums zum Prozeßmedium aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, soweit auf einen der Ansprüche 7 bis 14 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischzonen (18) der ersten und zweiten Schicht(en) (11 , 12) einen Mischraum (19) bilden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischzone (18) der wenigstens einen zweiten Schicht (12) über wenigstens einen Zufuhrkanal (826) mit einem Medium-Einlass (24) verbunden ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß diese wenigstens einen zentralen Einlaß (13) für das Prozeßmedium aufweist und daß der zentrale Einlaß (13) über einen Kanal-Eintritt (30) mit dem wenigstens einen Kanal (16, 17) der wenigstens einen ersten Schicht (11) verbunden ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß diese wenigstens einen zentralen Auslaß (14) für das Prozeßmedium aufweist und daß der zentrale Auslaß (14) über einen Kanal-Austritt (31) mit dem wenigstens einen Kanal (16, 17) der wenigstens einen ersten Schicht (11) verbunden ist.
20. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 als chemischer Reaktor, insbesondere als chemischer Reaktor zur selektiven Oxidation.
21. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als chemischer Reaktor, dass zumindest eine Einzelkomponente zur integrierten selektiven Oxidation in einer oder mehreren Stufen ausgebildet ist, wobei mit Prozessgas durchströmte Kanalstrukturen (16, 17) mit einem Katalysator versehen sind, und dass zumindest eine Einzelkomponente als Mischer (24, 25, 26, 27, 18, 19) ausgebildet ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einzelkomponente als integrierter Verdampfer/Überhitzer ausgebildet ist, wobei einer oder mehrere Mischer vorgesehen sein können.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass in vorgesehenen Heizpassagen (20) eine Katalysatorbeschichtung vorgesehen ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einzelkomponenten zusammen als integrierter (Verdampfer)/ Überhitzer/ Reformer mit integrierten Mischpassagen und Katalysator in den Heizpassagen (20) (Oxidationskatalysator) und Katalysator in den Prozesskanälen (Reformerkatalysator) ausgebildet sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen vollständigen integrierten Reaktor mit allen Reaktoren für die Kraftstoffaufbereitung bildet (Verdampfer/Überhitzer, Reformer, Shiftreaktoren, Selektive Oxidation).
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie als integrierte Shiftstufe mit Temperaturgradient bzw. mehreren Temperaturzonen mit Katalysator (Shiftkatalysator) in den Prozessgaspassagen (16, 17) ausgebildet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Kanalstrukturen in benachbarten Schichten schräg, vorzugsweise quer zueinander verlaufen, und in einer Kreuz-Gegenstrom Verbindung verschaltet sind, so dass ein in Kanalstrukturen (20) strömendes Kühlmedium, vorzugsweise ein unreformiertes Prozessgas oder ein Teil davon (z.B. Wasserdampf), erwärmt wird und dadurch als Kühlung für die Prozessgase (16, 17) dient.
28. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27 jedoch nicht eingeschränkt auf die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem.
29. Mehrere Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 28 übereinander gestapelt und in Serie geschaltet und durch ein Isolationsmedium voneinander thermisch entkoppelt.
30. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 29, wobei die Schichten aus verschiedenen Werkstoffen (u.a. Metalle, Legierungen, Keramik, Kunststoff, Glas, Kohlenstoff) und/oder Dicken zur Beeinflussung des thermischen Verhaltens ausgeführt sind.
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