Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion mit Strömungskanälen für Temperier- beziehungsweise Reakti¬ onsmedien. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Scheibenpaket zur Bildung einer solchen Vorrichtung.
Die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels derartiger Vorrichtungen stellt unter Umständen eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von elektrischem Strom aus den Betriebsmedien Wasserstoff und Sauerstoff dar. Dabei finden üblicherweise zwei räumlich getrennte Elektrodenreaktionen statt, bei denen Elektronen freigesetzt bzw. gebunden werden. Ein Beispiel für zwei korrespondierende Elektrodenreak¬ tionen in einer gattungsgemäßen Vorrichtung sind folgende Reaktionen:
H2 => 2 H+ + 2 e" (Anodische Reaktion)
2 H+ + 2 e' + ΛA O2 => H2O (Kathodische Reaktion)
Bei anderer Bauart können beispielsweise auch folgende Reaktionen beo¬ bachtet werden:
H2 + O2' => H2O + 2 e" (Anodische Reaktion I)
CO + O2' => CO2 + 2 e" (Anodische Reaktion II)
O2 + 4 e' => 2 O2" (Kathodische Reaktion)
Andere gattungsgemäße Vorrichtungen weisen zum Teil andere Reaktionen auf. Gemeinsam ist jeweils der Transport einer Spezies in elektrisch nicht¬ neutraler Form durch einen Elektrolyten und den parallel hierzu verlaufenden Transport von Elektronen durch einen äußeren Leiter, um die Spezies nach dem Transportvorgang in einen elektrisch neutralen Zustand zurückzuver¬ setzen.
Durch elektrische Verbindung der räumlich getrennten Reaktionszonen kann ein Teil der dabei umgesetzten Reaktionsenthalpie direkt als elektrischer Strom gewonnen werden. Üblicherweise werden mehrere elektrisch in Serie geschaltete Reaktionseinheiten aufeinandergestapelt und ein solchermaßen gebildeter Stapel als Stromquelle verwendet. Eine einzelne Reaktionseinheit besteht dabei aus einer Elektrolyteinheit, wie Membran, welche die Reaktan- den, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff beziehungsweise Wasser- stoff/Kohlenmonoxid und Sauerstoff, voneinander trennt und eine lonenleit- fähigkeit, insbesondere eine H+-Protonenleitfähigkeit oder eine O2"- Leitfähigkeit, aufweist, sowie aus zwei mit Katalysatormaterial belegten E- lektroden, die unter anderem zum Abgriff des von der Reaktionseinheit er¬ zeugten elektrischen Stroms erforderlich sind.
Die Reaktanden, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, und das Reak¬ tionsprodukt Wasser sowie gegebenenfalls ein Medium, das zur Abführung von überschüssiger Reaktionswärme dient, strömen durch Fluidkanäle, wo¬ bei die Reaktanden nicht notwendigerweise in reiner Form vorliegen müs- sen. Beispielsweise kann das Fluid auf der Kathodenseite Luft sein, deren Sauerstoff an der Reaktion teilnimmt. Insbesondere bei Verwendung eines
wärmeabführenden Mediums wird durch eine thermische Verbindung der je¬ weiligen Fluidkanäle für einen ausreichenden Wärmeübertrag zwischen den jeweiligen Fluiden gesorgt.
Reaktanden und Reaktionsprodukte werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Reaktionsmedien bezeichnet. Als Temperiermedium wird ein Medium bezeichnet, das geeignet ist, einer Vorrichtung beziehungsweise ei¬ ner Reaktionszone Wärme zu- oder abzuführen.
Die in einer gattungsgemäßen Vorrichtung entstehende Abwärme wird ge¬ wöhnlich über ein Kühlmedium und einen separaten Kühlkreislauf abgeführt und muss gegen die Umgebung abgegeben werden. Da die Temperaturdif¬ ferenz zwischen Vorrichtung und Umgebung üblicherweise geringer ist als bei einem Verbrennungsmotor vergleichbarer Leistung, ist der Kühlungsauf- wand bzw. die Kühlergröße trotz höheren Wirkungsgrades oft größer.
Grundsätzlich kann zwischen gasgekühlten und flüssigkeitsgekühlten Vor¬ richtungen zur Durchführung einer chemischen Reaktion unterschieden wer¬ den. Bei luftgekühlten Vorrichtungen wird der Wärmehaushalt durch Integra- tion von geeigneten Kühlkanälen in einzelne Platten eines Plattenstapels und Durchströmung dieser Kanäle mit einem Luftstrom kontrolliert und die überschüssige Abwärme mit diesem Luftstrom abgeführt wird. Flüssigkeits- gekühlte Vorrichtungen werden hingegen von einem flüssigen Kühlmedium von zumeist hoher Wärmekapazität durchflössen, das die bei der chemi- sehen Reaktion entstehende Abwärme aufnimmt und in einem externen, räumlich von der Vorrichtung getrennten Kühler, der seinerseits meist luftge¬ kühlt ist, an die Umgebung abgibt.
Aufgrund der relativ geringen Wärmekapazität von Kühlluft und den damit verbundenen relativ großen Volumenströmen ergibt sich bei der luftgekühl¬ ten Anordnung die Forderung nach relativ großen, geraden Luftkühlkanälen,
- A - um den Druckverlust und damit den energetischen Aufwand für den Kühlluft¬ strom in Grenzen zu halten. Da die zu kühlenden Reaktionsmedien häufig ebenfalls gasförmig sind und eine spezifische Wärmekapazität ähnlich wie die Kühlluft besitzen, weisen luftgekühlte Vorrichtungen meist einen starken Temperaturgradienten entlang des Kühlluftkanals auf. Hier wird insbesonde¬ re der Bereich der aktiven Reaktionszone, der dem Kühllufteintritt am nächs¬ ten liegt, besonders stark abgekühlt, während in Bereichen, die nahe dem Kühlluftausgang liegen, kaum noch Wärmeübertragung stattfindet. Es hat sich gezeigt, dass sich das hieraus resultierende inhomogene Temperatur- profil unter Umständen nachteilig für einen effizienten Betrieb der Vorrich¬ tung auswirkt.
Die flüssigkeitsgekühlte Anordnung ist insbesondere bei der Verwendung von Polymermaterialien für die Elektrolytmembran aufgrund deren Anfällig- keit gegen Kontamination mit Metallionen unter Umständen problematisch. Will man beispielsweise eine flüssigkeitsgekühlte Vorrichtung in Verbindung mit einem bekannten Aluminium-Wärmeübertrager betreiben, ist zur Vermei¬ dung der Kontamination der Polymermembranen die Verwendung eines flüssigen Kühlmediums, das keine Metallionen transportieren kann, bei- spielsweise ein Wärmeübertrageröl, oder alternativ die Verwendung einer lonenaustauscherpatrone zur Reinigung des flüssigen Kühlmediums erfor¬ derlich. Dadurch ergeben sich Nachteile in Form von geringerer spezifischer Wärmeübertragungsleistung (Wärmeübertrageröl) beziehungsweise in Form von zusätzlichem Systemaufwand (lonenaustauscherpatrone).
Zur Erzeugung des in der Vorrichtung benötigten, wasserstoffhaltigen Be¬ triebsgases, insbesondere bei der Gaserzeugung an Bord von Kraftfahrzeu¬ gen, wird auf flüssige Kraftstoffe (beispielsweise Benzin, Diesel, Methanol, etc.) oder gasförmige Kraftstoffe (beispielsweise Erdgas) als Ausgangsbasis zurückgegriffen. Für die Herstellung wasserstoffreichen Gases aus diesen Kraftstoffen sind verschiedene Verfahren bekannt, die im Wesentlichen auf
einem oder der Kombination mehrerer der folgenden chemischen Prozesse beruhen:
a) Zerlegung des Kraftstoffes, beispielsweise durch sogenanntes thermi- sches Cracken, in seine Ausgangsstoffe, gegebenenfalls über einem Ka¬ talysator. Ein Beispiel ist die Reaktion von Oktan: C8Hi8 -» 8 C + 9 H2.
b) Partielle Oxidation des Kraftstoffes über einem Katalysator unter Zugabe von (Luft-)Sauerstoff im stöchiometrischen oder unterstöchiometrischen Anteil. Beispiele sind die Reaktionen von Oktan: C8Hi8 + 8 O2 → 8 CO2 +
9 H2 (stöchiometrisch) beziehungsweise C8Hi8 + 4 O2 -» 8 CO + 9 H2 (un- terstöchiometrisch).
c) Dampfreformierung des Kraftstoffes über einem Katalysator unter Zugabe von Wasser. Ein Beispiel ist die Reaktion von Oktan: C8Hi8 + 16 H2O →
8 CO2 + 25 H2.
d) Autotherme Reformierung des Kraftstoffes durch Kombination von partiel¬ ler Oxidation und Dampfreformierung dahingehend, dass die Energiebi- lanz der Gesamtreaktion durch Kombination der endothermen Dampfre¬ formierung und der exothermen partiellen Oxidation gerade ausgeglichen wird.
In der Regel läuft ein solcher Prozess in einem sogenannten Reformer ab, wobei in der Praxis kein Vollumsatz erzielt wird und ein mehr oder weniger hoher Anteil an Kohlenmonoxid im erzeugten Gas verbleibt. Darauffolgend kann durch Einsatz von sogenannten Shiftstufen unter Verwendung der
Wassergas-Shiftreaktion (CO + H2O → CO2 + H2) zusätzlicher Wasserstoff zu Lasten der CO-Konzentration unter Verwendung eines geeigneten Kata- lysators gewonnen werden.
Zur weitergehenden Reinigung des Gases von CO kann bei Bedarf eine se¬ lektive Oxidation über einem hierfür geeigneten Katalysator durchgeführt werden. Hierbei wird das verbleibende Kohlenmonoxid durch Zugabe von (Luft-) Sauerstoff zu Kohlendioxid oxidiert: 2 CO + O2 → CO2.
Zur darüberhinausgehenden Reinigung des Gases von Schwefel bzw. Schwefelverbindungen kann eine passive Adsorption (z.B. an Zeolithen) o- der eine katalytische Transformation der im Kraftstoff bzw. Reformat vorhan- denen Schwefelverbindungen an einem geeigneten Katalysator bzw. Adsor- bens durchgeführt werden. Die Entschwefelung ist grundsätzlich vor der Re¬ formierung (am flüssigen oder verdampften Kraftstoff) oder auch nach der Reformierung (am Reformat) möglich. In letzterem Fall werden die im Re¬ format verbliebenen Schwefelverbindungen beispielsweise mittels des Vor- gangs der HDS (hydro-desulfurization) mit Wasserstoff zur Reaktion ge¬ bracht; das resultierende H2S wird dann an einem geeigneten Material (bei¬ spielsweise Cu-Zn-Pellets) adsorbiert und damit dem Brenngas entzogen.
Üblicherweise finden viele oder alle dieser Prozesse in jeweils hierfür spezi- fisch ausgebildeten Vorrichtungen statt. Einen schematischen Überblick über die Architektur eines Brennstoffzellensystems gibt Fig. 8.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion bereitzustellen, die bei relativ geringem Aufwand eine hohe Effizienz besitzt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion, die jeweils zumindest einen, vorzugsweise mehrere erste Strömungskanäle für ein erstes Reaktionsmedium, zweite Strömungs- kanäle für ein zweites Reaktionsmedium, dritte Strömungskanäle für ein ers-
tes Temperiermedium und vierte Strömungskanäle für ein zweites Tempe¬ riermedium aufweist.
Erfindungsgemäß sind also zumindest vier Medien getrennt voneinander führbar. Die Reaktionsmedien dienen der Versorgung einer chemischen Re¬ aktionszone mit den für die chemische Reaktion erforderlichen Medien, wie beispielsweise Wasserstoff und Luftsauerstoff, beziehungsweise einer Ab¬ führung eines oder mehrerer Reaktionsprodukte. Mit Hilfe des ersten Tem¬ periermediums ist die in der Vorrichtung entstehende Abwärme beispielswei- se direkt an die Umgebung abführbar beziehungsweise ist die benötigte Wärme der Vorrichtung direkt zuführbar, insbesondere mit Hilfe einer Fluid- fördereinrichtung, wie beispielsweise einer Pumpe, einem Gebläse oder der¬ gleichen. Zu diesem Zweck wird als erstes Temperiermedium vorzugsweise Umgebungsluft verwendet, die in einer geeignet großen Menge durch die Vorrichtung geführt wird. Das zweite Temperiermedium, beispielsweise Kühlwasser, strömt in einem vorzugsweise geschlossenen Kreislauf, vor¬ zugsweise mittels einer geeigneten Fluidfördereinrichtung.
Unter Umständen ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein geringerer baulicher Aufwand erreichbar, wenn Zusatzkomponenten wie Temperiermit¬ telleitungen, -pumpen oder Wärmeübertrager verzichtbar werden, da die Vorrichtung selbst als Wärmeübertrager fungiert. Insbesondere durch das Vorsehen von Strömungskanälen für unterschiedliche Temperiermedien wird eine homogenere Temperaturverteilung und gegebenenfalls eine gleichmä- ßigere Temperaturabgabe beziehungsweise -zugäbe und dadurch unter Umständen eine erhöhte Effizienz der Vorrichtung ermöglicht. Vorteilhaft wirkt sich die Verwendung zweier Temperiermedien aus, die sich in ihrer Wärmekapazität und/oder ihrem Aggregatzustand voneinander unterschei¬ den und/oder wenn die Strömungskanäle für die Temperiermedien unter- schiedliche Formen und/oder Querschnittsflächen aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vor¬ richtung eine vorzugsweise diffusionsdurchlässige Membran zwischen einem ersten und einem zweiten Strömungskanal auf, so dass die Reaktionsme¬ dien voneinander getrennt sind, wobei die chemische Reaktion über bei- spielsweise ionische Diffusion eines oder mehrerer Reaktanden durch die Membran hindurch ermöglicht wird.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kommunizieren die Strömungska¬ näle für die Reaktionsmedien miteinander, so dass die Reaktanden unmittel- bar miteinander in Berührung kommen und sich unter Umständen miteinan¬ der vermischen können. Hierdurch wird die chemische Reaktion unter Um¬ ständen beschleunigt, so dass die Effizienz der Vorrichtung steigt.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen fünften Strö- mungskanal für ein drittes Temperiermedium auf, das sich von dem ersten und dem zweiten Temperiermedium unterscheidet. Hierdurch wird eine Be¬ aufschlagung der Vorrichtung mit drei unterschiedlichen Temperiermedien unterschiedlicher Funktion ermöglicht. Beispielsweise kann ein Temperier¬ medium einer Wärmeabfuhr, einer Wärmezufuhr, einer Verdampfung und/oder einer insbesondere katalytisch unterstützten Umsetzung des Tem¬ periermediums selbst dienen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kommuniziert zumindest ein Strö¬ mungskanal für ein Reaktionsmedium mit einem Strömungskanal für ein Temperiermedium. Hierdurch ist der betreffende Strömungskanal für das Temperiermedium als Zuführkanal für frisches und gegebenenfalls vortem¬ periertes Reaktionsmedium verwendbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist ein dritter oder vierter Strömungskanal einen Katalysator auf und ist besonders bevorzugt kataly¬ tisch beschichtet. Das erste beziehungsweise zweite Temperiermedium
nimmt dann durch eine endotherme Reaktion Wärme auf oder gibt durch ei¬ ne exotherme Reaktion Wärme ab, so daß einerseits die Wärmeabfuhr be¬ ziehungsweise -zufuhr unterstützt wird und andererseits die Vorrichtung ge¬ gebenenfalls eine weitere Funktion, nämlich die Durchführung der katalysier- ten Reaktion, insbesondere eine Reformierung, erfüllt.
Bevorzugt ist der Katalysator auf einer Oberfläche angeordnet, die von ande¬ ren Strömungskanälen thermisch entkoppelt ist. Somit kann die katalysierte Reaktion auch auf einem anderen Temperaturniveau ablaufen als dem der anderen Strömungskanäle. Besonders bevorzugt ist der Katalysator auf ei¬ nem von den anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelten Scheiben¬ element angeordnet. Die thermische Entkopplung ist dabei insbesondere durch Vorsprünge an der Kanalwand und/oder dem Scheibenelement be¬ werkstelligt, wobei dann durch ein nur punktuelles und/oder linienförmiges Berühren ein Wärmefluß von der Kanalwand zu dem Scheibenelement oder umgekehrt gehemmt wird.
Zusätzlich oder alternativ weist die jeweilige Kanalwand und/oder das von der jeweiligen Kanalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement einen insbesondere als Oberflächenbeschichtung ausgebildeten thermischen Iso¬ lator auf. Eine thermische Isolation ist unter Umständen auch bei Strö¬ mungskanälen ohne Katalysator vorteilhaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst das von der jeweiligen Ka- nalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement einen insbesondere kataly- tisch beschichteten Wabenkörper, insbesondere eine Wabenkeramik, die aufgrund ihres Ausgangsmaterials im Hinblick auf eine thermische Abkoppe- lung besonders geeignet ist und entweder mit oder ohne Einsatz einer punk- tuellen Anlage verwendbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst das von der jeweili¬ gen Kanalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement ein ausgedehntes Metallgestrick oder ein ausgedehntes Metallfilz, das in besonders bevorzug¬ ter Ausführung mit einer oder zwei Kanalwänden des Flowfields elektrisch leitend verbunden ist, beispielsweise durch Lötung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kommuniziert zumindest ein dritter und/oder vierter Strömungskanal mit einem ersten und/oder zweiten Strö¬ mungskanal. Dadurch dient zumindest ein Reaktionsmedium auch als Tem- periermedium, nämlich vor oder nach der chemischen Reaktion. Dies dient beispielsweise einer Vorwärmung eines Reaktanden, gegebenenfalls unter Rückgewinnung von Reaktionsabwärme. Besonders bevorzugt ist dazu der dritte beziehungsweise vierte Strömungskanal mit einem Katalysator verse¬ hen, so dass zumindest ein Reaktand in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit relativ geringem energetischem Aufwand darstellbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie aus Ausführungsbeispielen, anhand derer die Er¬ findung nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
Fig. 1 Ein Scheibenpaket zur Bildung einer erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung in Explosionsdarstellung,
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion in Explosionsdarstellung,
Fig. 3 eine Temperaturverteilung über Vorrichtungen zur Durchführung ei¬ ner chemischen Reaktion,
Fig. 4 eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion,
Fig. 5 ein Scheibenpaket mit zwei Scheibenpaaren,
Fig. 6 einen ausschnittsweisen Querschnitt dreier Scheiben,
Fig. 7 einen ausschnittsweisen Querschnitt dreier Scheiben,
Fig. 8 ein Schema eines Brennstoffzellensystems,
Fig. 9 einen Querschnitt eines Scheibenpakets,
Fig. 10 einen Querschnitt eines Scheibenpakets,
Fig. 11 einen Querschnitt eines Scheibenpakets und
Fig. 12 ein Scheibenpaket.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 umfasst mehrere Scheiben (1 ,2,5,6), von denen jeweils zwei ein Paar bilden (1 ,2) bzw. (5,6). Die Scheibenpaare sind vorteilhafterweise als kommunizierende Halbschalen gemäß DE 102 24 397 A1 ausgebildet. Zwischen zweien solcher Paare (1 ,2) (5,6) ist ein dritter Strömungskanal mit einer als Luftkühlflowfield (3,4) ausgebildeten Turbu¬ lenzeinlage angeordnet, der beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Ge¬ bläse mit Kühlluft als erstem Temperiermedium versorgt werden kann. Ein Scheibenpaket wird somit dargestellt aus den zusammengefügten Teilen 1 bis 6, die beispielsweise durch Schweißen, Löten oder mechanisches Um¬ formen fluiddicht miteinander verbunden werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung werden die Komponenten 1 , 2, 5 und 6 aus Edelstahl gefertigt und miteinander verschweißt oder verlötet.
Das Kühlflowfield (3,4), das auch aus einem einzelnen Bauteil bestehen
kann, wird beispielsweise aus Aluminium gefertigt und nach dem Fügevor¬ gang der Komponenten 1 ,2,5,6 mechanisch platziert. Das aus allen Kompo¬ nenten gebildete Scheibenpaket weist dann also voneinander unabhängige Strömungskanäle beispielweise für Kühlluft, Kühlflüssigkeit, Anodenversor- gungsgas und Kathodenversorgungsgas auf.
Fig. 2 zeigt ebenfalls in Explosionsdarstellung eine Anordnung mehrer Scheibenpakete (7) als Scheibenstapel zur Bildung einer Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion. Die Scheibenpakete (7) werden dabei abwechselnd mit Membranen (8), die beidseitig mit Elektroden verse¬ hen sind, aufeinandergestapelt.
Die in dieser Darstellung gefügten Scheibenpakete weisen eine umlaufende Abdichtung (9) auf, die für eine Durchströmung mit dem ersten Temperier- medium Kühlluft zur Bildung von Ein- und/oder Austrittsöffnungen Unterbre¬ chungen (10) aufweist. Das erste Temperiermedium wird also außerhalb der Scheibenelemente auf die durch Zwischenräume zwischen zwei Scheiben¬ elemente gebildeten dritten Strömungskanäle verteilt beziehungsweise aus diesen gesammelt. Zu diesem Zweck schließen an den Scheibenstapel seit- lieh ein nicht dargestellter Verteil- und ein Sammelkanal an, die mit den drit¬ ten Strömungskanälen kommunizieren. Zusätzlich ist es möglich, mit Hilfe von geeigneten Umlenkkanälen eine serpentinenartige Durchströmung der dritten Strömungskanäle vorzusehen, wobei jeder der zwei oder mehr Ser¬ pentinenabschnitte wiederum mehrere parallel geschaltete Strömungskanä- Ie, insbesondere aus verschiedenen Scheibenzwischenräumen, umfassen kann. Die Reaktionsmedien und das zweite Temperiermedium werden über Verteil- und Sammelkanäle innerhalb des Scheibenstapels zu- beziehungs¬ weise abgeführt, wozu die einzelnen Scheiben beispielsweise rechteckförmi- ge Durchbrüche aufweisen.
Fig. 3 zeigt den qualitativen Verlauf der Temperatur T eines Reaktionsmedi¬ ums entlang der Länge I eines Kühlluftkanals einer bekannten (11) und einer erfindungsgemäßen (12) Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion. Es zeigt sich deutlich, dass durch einen zusätzlichen Flüssigkühl- kreislauf eine homogenere Temperaturverteilung entlang der Kühlluftkanäle erzielbar ist. Durch die Anordnung von vierten Strömungskanälen für ein flüssiges Kühlmedium jeweils zwischen den Strömungskanälen für die Reak¬ tionsmedien und die Kühlluft wird das Temperaturprofil entlang der Kühlluft¬ kanäle besonders vergleichmäßigt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine erfin¬ dungsgemäße Vorrichtung mit interner (Dampf-)Reformierung eingesetzt. Dies geschieht dadurch, dass anstelle von Kühlluft einer der Reaktanden durch die dritten Strömungskanäle und anschließend durch die ersten oder zweiten Strömungskanäle strömt, indem die ersten beziehungsweise zweiten Strömungskanäle mit den dritten Strömungskanälen kommunizieren, bei¬ spielsweise über eine Verbindungsleitung oder aber innerhalb des Schei¬ benstapels.
In einer spezielleren Ausführungsform wird ein Bereich für die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs erzeugt, der dem eigentlichen Reformierungsbe- reich funktional vorgeschaltet ist, aber zur Erzielung einer Verdampfung oh¬ ne chemische Reformierungsreaktion nicht über eine katalytische Beschich- tung verfügt. Bei diesem Anwendungsfall werden die Segmente (3,4) oder ein entsprechendes Bauteil zumindest teilweise mit einer katalytischen Be- schichtung versehen. Für den Fall, dass eine Verdampfung von flüssigen Kraftstoffkomponenten vorgesehen ist, wird im Verdampfungsbereich, der am Reformateintrittsbereich beginnt und über eine geeignete Ausdehnung entlang eines Kanals verfügt, keine katalytische Beschichtung angebracht.
Der Anteil an elektrisch nicht nutzbarer Abwärme an der chemisch freige¬ setzten Energie ergibt sich dabei aus dem Verhältnis der Differenz von re¬ versibler Wärmetönung [1 ,48V] und der elektrischen Zellspannung im jewei¬ ligen Betriebspunkt zur reversiblen Wärmetönung. Wird der Reformierungs- prozess so gefahren, dass die für die Verdampfung und/oder Reformierung erforderliche Wärmemenge der Abwärme entspricht, kann ein solches Sys¬ tem sogar autotherm und völlig ohne externen Kühler betrieben werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird als Kühlmedium zur Ein- Stellung eines isothermen Zustandes ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch ver¬ wendet, das im Bereich des Kühlflowfields zwischen den Platten (1-2) bzw. (5-6) aufgewärmt wird und im Folgenden im Bereich des Reform ierungsflow- fields (Teile 3-4) dampfreformiert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird das Kraftstoff-Wasser- Gemisch unter Druck geführt, so dass es im Bereich des Kühlflowfields in flüssiger Form vorliegt und vor dem Eintritt ins Reformierungsflowfield druck¬ entspannt, so dass hier eine schlagartige Verdampfung eintritt als Vorberei¬ tung für die Reformierungsreaktion.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der Betriebspunkt bezie¬ hungsweise die Abwärme des Stapels so eingestellt, dass der Vorgang des Aufheizens des Kraftstoff-Wasser-Gemischs in Verbindung mit der Dampfre- formierung durch die bei der chemischen Reaktion entstehende Abwärme energetisch zumindest teilweise gedeckt wird, so dass ein autothermer Be¬ trieb gefördert wird. Grundsätzlich ist diese Anordnung für jede endotherme oder leicht exotherme Reaktionskombination geeignet.
Im Rahmen einer katalytisch gekühlten Vorrichtung mit interner Reformie- rung (beispielsweise Methanolreformierung) kann die Reformierung durch
die erfindungsgemäße quasi-isotherme Temperaturverteilung im ganzen ka- talytisch beschichteten Bereich unter Umständen effizienter ablaufen.
Fig. 4 zeigt einen Brennstoffzellensystemcluster 13 mit Bipolarplatten 15, der beispielsweise gemäß Fig. 2 aufgebaut ist. Dritte Strömungskanäle 14 in ei¬ ner Kühlzone 23 dienen einer Durchströmung mit Kühlluft. Durch den Ein¬ satz eines insbesondere geschlossenen Flüssig-Kühlkreislaufs durch äußer¬ lich nicht sichtbare vierte Strömungskanäle kann der Kühleffekt der Kühlluft auf benachbarte Bipolarplatten übertragen werden, so dass nicht jeder dritte Strömungskanal für die Kühlfunktion genutzt werden muß. Die somit gewis¬ sermaßen freiwerdenden dritten Strömungskanäle sind für verschiedene an¬ dere Aufgaben im Brennstoffzellensystem verwendbar.
In einer Verdampfungszone 16 wird Wasser oder ein Wasser-Kraftstoff- Gemisch 18 in dritten Kanälen 17 verdampft, so dass unter Umständen auf einen Verdampfer als Vorstufe für den Reformer als eigenständiges Bauteil verzichtet werden kann.
In einer Reformierungszone 19 geschieht eine partielle Oxidation, eine auto- therme Reformierung oder eine Dampfreformierung, wobei die dortigen drit¬ ten Strömungskanäle 20 gegebenenfalls eine geeignete katalytische Be- schichtung der Kanalwände mit einem für die jeweilige Aufgabe geeigneten Katalysator aufweisen. Unter Umständen kann somit auf einen Reformer als eigenständiges Bauteil verzichtet werden.
In einer Niedertemperatur-Shift-Zone 21 sind dritte Strömungskanäle 22 für eine Wassergas-Shiftreaktion vorgesehen, die gegebenenfalls auch mittels eines Katalysators unterstützt wird. Unter Umständen kann somit auf einen NT-Shift-Reaktor als eigenständiges Bauteil verzichtet werden.
Die dritten Strömungskanäle der unterschiedlichen Zonen sind über geeigne¬ te, nicht näher dargestellte Verbindungskanäle miteinander verbunden, so dass das jeweilige Fluid, wie durch die Pfeile 24, 25 angedeutet, von einer Zone in die jeweils nächste Zone übertritt. In ähnlicher Weise wird das auf- bereitete Anodengas, wie durch die Pfeile 26 angedeutet, einem Anoden- gasverteilerkanal 27 zugeführt. Parallel dazu wird Kathodengas 28 einem Kathodengasverteilerkanal 29 zugeführt.
Gemäß nicht gezeigter Ausführungsformen werden in bestimmten Zonen dritte Strömungskanäle für eine selektive Oxidation oder eine Anodenabgas¬ verbrennung eingesetzt. Die dafür bislang vorgesehenen, eigenständigen Bauteile können dann grundsätzlich entfallen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch Beaufschlagen dritter Strömungskanäle mit Reaktionsluft für einen ATR („autotherme Reformie- rung")-Reformer die benötigte Luft vorgewärmt, so dass die ATR-Reaktion unter Umständen gleichmäßiger abläuft und eine entsprechende Vorwärm¬ stufe als eigenständiges Bauteil wegfällt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch Beaufschlagen dritter Strömungskanäle mit Reaktionsluft für den kathodenseitigen Brennstoffzel- lenprozess das Kathodengas vorgewärmt, so dass am Kathodengaseintritt des Brennstoffzellenstapels auftretende negative Temperatureffekte (wie beispielsweise Elektrolytalterung, Kondensation, etc.) reduziert oder verhin- dert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch Integration eines geeig¬ neten Transformationskatalysators (aktive Entschwefelung) oder eines ge¬ eigneten Adsorbens (passive Entschwefelung) in die dritten Strömungskanä- Ie, beispielsweise durch Beschichtung der Wände und/oder durch Einfüllen von chemisch aktivem Schüttgut, wie beispielsweise Pellets, Tabletten etc.,
und Sicherung gegen Austrag aus dem Strömungskanalbereich, beispiels¬ weise mittels Gitter an beiden Enden der Strömungskanäle, eine Entschwe¬ felung des verwendeten Brennstoffes ermöglicht. Diese Entschwefelung kann grundsätzlich am flüssigen oder dampfförmigen Kraftstoff vor der Re- formierung erfolgen oder auch am Reformat nach der Reformierung durch¬ geführt werden. Durch das hierdurch erzielte Absenken des Schwefelgehalts im Reformat wird im Folgenden die Deaktivierung katalytisch aktiver Kompo¬ nenten (z.B. Shiftstufen) verringert oder vermieden und die Lebensdauer und Effizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird das Schüttgut nach Errei¬ chen einer definierten Mindestaktivitätsschwelle gegen unverbrauchte Ware ausgetauscht. Zur Vereinfachung dieses Austauschs kann das Schüttgut in Form einer geeignet geformten Austauschpatrone in die vierflutige Bipo- larplatte eingesetzt und gegebenenfalls einfach ausgewechselt werden.
Voraussetzung für die meisten der oben genannten Aufgaben ist ein relativ hohes Temperaturniveau, das zweckmäßigerweise durch Betrieb des Brennstoffzellensystemclusters in Verbindung mit Membran-Elektroden- Einheiten unter Verwendung von Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt- Membranen und der Ausnutzung der entsprechenden Nenn- Betriebstemperaturen (100...2000C) bereitgestellt werden kann.
Hier ist zu unterscheiden zwischen Prozessen, die bei Zelltemperatur ablau- fen (zum Beispiel Verdampfung, Niedertemperatur(NT)-Shiftreaktion, Küh¬ lung) und Prozessen, die zwar bei Zelltemperatur starten können, gewöhn¬ lich aber adiabater Natur sind und bei höheren Temperaturen als Zelltempe¬ ratur ablaufen (zum Beispiel autotherme Reformierung, partielle Oxidation, Niedertemperatur-Shiftreaktion, selektive Oxidation, Anodenabgasverbren- nung).
Um Prozesse der letztgenannten Art beispielsweise in einem Hochtempera- tur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemcluster ablaufen las¬ sen zu können, ist die Ausbildung unterschiedlicher Temperatumiveaus in¬ nerhalb des Brennstoffzellensystemclusters zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist der für die jeweilige Reaktion geeignete Katalysator bevorzugt auf einer Oberfläche angeordnet, die von anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelt ist.
Gemäß Fig. 5 und Fig. 6 ist ein Katalysator auf einem von den anderen Strö- mungskanälen thermisch entkoppelten Scheibenelement 31 angeordnet. Die thermische Entkopplung ist dabei insbesondere durch Vorsprünge 32 an der Kanalwand des dritten Strömungskanals 33 bewerkstelligt, indem ein Wärmefluß von dem Scheibenelement 31 zur Kanalwand dadurch gehemmt wird, dass das Scheibenelement 31 die Kanalwand nur punktuell, nämlich an den Spitzen der Vorsprünge, berührt, insbesondere mit der Kanalwand verlö¬ tet ist. Durch Verwendung des Scheibenelements 31 werden adiabate Reak¬ tionen von der Wandtemperatur des Multifunktionsflowfields entkoppelt, so dass hier Reaktionen mit höherer Temperatur ablaufen können.
Alternativ oder, wie in Fig. 7 dargestellt, zusätzlich zu einer nur punktuellen Berührung und je nach Höhe der gewünschten Temperatur ist die Reaktion durch Einsatz von Wärmedämmschichten 34 an den Kanalwänden der ers¬ ten, zweiten, dritten und/oder vierten Strömungskanäle von der Zelltempera¬ tur abschirmbar. Geeignet für diesen Verwendungszweck sind keramische Wärmedämmschichten, wie zum Beispiel Aluminiumoxid (AI2O3), Aluminium- Titanoxid (AI2O3ZTiO2), Zirkonkorung (AI2O3/ZrO2), Mullit (AI2O3/SiO2), Spinel¬ le (AI2O3 MgO), Zirkonoxid (Mg-ZrO2), Zirkonsilikat (ZrSiO4), etc.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystem- Clusters werden die vierten Strömungskanäle für das flüssige Kühlmittel durch einen Aufbau analog zur Ausgestaltung eines Wärmerohres ersetzt.
Hierdurch kann auf den Einsatz einer Pumpe zur Umwälzung des Flüssig¬ kühlmediums verzichtet werden, wodurch sich gegebenenfalls ein weiterer Bauraumgewinn und unter Umständen eine Verbesserung des Systemwir¬ kungsgrades ergibt.
Die Erfindung ermöglicht es unter Umständen, ein vereinfachtes System zu schaffen, mit dem die beim Stand der Technik erforderliche Vielzahl von Komponenten verzichtbar wird und gegebenenfalls eine Kosten- und/oder Bauraumreduzierung möglich ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform fasst die erfindungsgemäße Vorrichtung alle wesentlichen Komponenten aus Fig. 8 in einer einzigen Baugruppe - einem Brennstoffzellensystemcluster- zusammen. Hierdurch wird der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems reduziert und unter Umständen eine Kosten red uzierung erzielt. Bei anderen Ausgestaltungen ist eine nur teilweise Übernahme von Systemfunktionen in den Brennstoffzellensystemcluster verwirklicht, wobei weitere, funktional ei¬ genständige Bauteile im System verbleiben.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt eines Scheibenpakets, das zwischen einer o- beren Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 41 und einer unteren MEA 42 an- geordnet ist. Erste Strömungskanäle 43 dienen einer Beaufschlagung der oberen MEA 41 mit einem Kathodengas, während zweite Strömungskanäle 44 einer Beaufschlagung der unteren MEA 42 mit einem Anodengas dienen. Dritte Strömungskanäle 45 dienen der Führung eines ersten Temperierme¬ diums, beispielsweise Kühlmittel oder Kühlluft. Die ersten Strömungskanäle 43 kommunizieren über Durchbrüche 46 in einer benachbarten Scheibe mit vierten Strömungskanälen, wodurch eine Kathodengaszudosierung entlang der ersten Strömungskanäle möglich wird.
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt eines weiteren Scheibenpakets, welches zwi- sehen einer oberen Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 51 und einer unte¬ ren MEA 52 angeordnet ist. Erste Strömungskanäle 53 dienen einer Beauf-
schlagung der oberen MEA 51 mit einem Kathodengas, während zweite Strömungskanäle 54 einer Beaufschlagung der unteren MEA 52 mit einem Anodengas dienen. Dritte Strömungskanäle 55 dienen der Führung eines ersten Temperiermediums, beispielsweise Kühlluft. Die ersten Strömungs- kanäle 53 kommunizieren über fluchtende Durchbrüche 56 zweier zueinan¬ der benachbarter Scheiben mit den dritten Strömungskanälen 55, wodurch eine Kathodengaszudosierung insbesondere mit Luft oder Sauerstoff entlang der ersten Strömungskanäle möglich wird. Vierte Strömungskanäle dienen der Führung eines zweiten Temperiermediums, beispielsweise flüssigen Kühlmittels.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind einige oder alle drit¬ ten Strömungskanäle einseitig mit einer Kathodengasquelle, wie beispiels¬ weise einem Kompressor, verbunden und auf der anderen Seite verschlos- sen.
Fig. 11 zeigt einen Querschnitt eines Scheibenpakets, das zwischen einer oberen Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 61 und einer unteren MEA 62 angeordnet ist. Erste Strömungskanäle 63 dienen einer Beaufschlagung der oberen MEA 61 mit einem Kathodengas, während zweite Strömungskanäle 64 einer Beaufschlagung der unteren MEA 62 mit einem Anodengas dienen. Dritte Strömungskanäle 65 dienen der Führung eines ersten Temperierme¬ diums, beispielsweise Kühlmittel oder Kühlluft. Die ersten Strömungskanäle 63 kommunizieren über Durchbrüche 66 in einer benachbarten Scheibe mit vierten Strömungskanälen 67, wodurch eine Kathodengaszudosierung bei¬ spielsweise mit Reaktionsluft entlang der ersten Strömungskanäle möglich wird. Fünfte Strömungskanäle 68 dienen der Führung eines dritten Tempe¬ riermediums, beispielsweise eines flüssigen Kühlmittels oder Kühlluft. Die dritten Strömungskanäle 65 und/oder die fünften Strömungskanäle 68 sind bei diesem Ausführungsbeispiel auch für die Verdampfung, Umsetzung und
dergleichen des ersten beziehungsweise dritten Temperiermediums ver¬ wendbar.
Fig. 12 zeigt ein Scheibenpaket mit ersten Strömungskanälen 73 und zwei- ten Strömungskanälen 74. Dritte Strömungskanäle 75 dienen der Führung eines ersten Temperiermediums, beispielsweise Kühlmittel oder Kühlluft, während vierte Strömungskanäle 77, 78 der Führung eines zweiten Tempe¬ riermediums dienen. Die dritten Strömungskanäle sind durch eine Mehrzahl parallel angebrachter Scheibenelemente 79, die in besonderes bevorzugter Ausführung konturiert sind, beispielsweise in Form einer Wellrippe, in mehre¬ re Teilkanäle unterteilt. Hierdurch wird die gegebenenfalls von den ersten, zweiten und/oder vierten Strömungskanälen thermisch entkoppelte Oberflä¬ che der dritten Strömungskanäle 75 beispielsweise für eine insbesondere katalytische Reaktion vergrößert.