WO2011020560A1 - Method and device for generating electric energy - Google Patents

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WO2011020560A1
WO2011020560A1 PCT/EP2010/004755 EP2010004755W WO2011020560A1 WO 2011020560 A1 WO2011020560 A1 WO 2011020560A1 EP 2010004755 W EP2010004755 W EP 2010004755W WO 2011020560 A1 WO2011020560 A1 WO 2011020560A1
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WO
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fuel cell
fuel
reactor system
fuel source
heat
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PCT/EP2010/004755
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Hans-Jürgen MAASS
Volker Göke
Andreas Opfermann
Otto Machhammer
Sigmar BRÄUNINGER
Laszlo Szarvas
Günther Huber
Dirk Gerhard
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Linde Aktiengesellschaft
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    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04059Evaporative processes for the cooling of a fuel cell
    • HELECTRICITY
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    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for generating electrical energy, wherein obtained in a fuel source from a carbon and hydrogen-containing insert in an endothermic process, a product and then anodenseitjg fuel directly or indirectly fed to a fuel cell.
  • the invention relates to a device for carrying out the
  • the vehicles are equipped with reformers, in which hydrogen can be obtained from the energy source in an endothermic process.
  • the energy required for this purpose is removed from the energy carrier, whereby the electrical efficiency of the overall process is considerably reduced.
  • DMFC Direct Methanol Fue Cell
  • a DMFC operating at low temperatures of less than 100 ° C thus directly converts the chemical energy of methanol into electrical energy without the detour via a reformer, but has a comparatively low electrical efficiency.
  • the practical implementation of the DMFC principle is still in progress
  • Object of the present invention is to provide a method of the type mentioned above and a device for its implementation, which allow to produce the electrical energy with a higher efficiency than is possible in the prior art.
  • the stated object is achieved by the fact that heat arising in the fuel cell is supplied to the fuel source for the purpose of maintaining the endothermic process.
  • Fuel production can be used. For operation of the fuel source therefore less or no external energy must be used, whereby the electrical efficiency of the fuel source and the fuel cell
  • a preferred embodiment of the method according to the invention for the thermal coupling of the two units provides for the use of a heat pipe.
  • Heat pipes have been state of the art and known to the person skilled in the art for many years. They contain in a hermetically encapsulated volume a heat transfer medium, which is present partly as a liquid, partly in gaseous form. Energy can be transferred to the liquid heat transfer medium via an evaporator connected to a heat source. The resulting vapor (vapors) flows to a condenser located elsewhere in the heat pipe and connected to a heat sink, where it condenses. During condensation, the energy absorbed via the evaporator is released to a large extent again and transferred to the heat sink. The now again liquid heat transfer medium is then conveyed back to the evaporator by the action of gravity, capillary force or by means of a pump.
  • steam reformers are commonly used as fuel sources in which a carbonaceous feed is converted to a hydrogen product by the addition of water and oxygen by steam reforming.
  • steam reforming starts
  • a liquid phase reformer such as.
  • a HTK reactor is used, in which the use of carbon and hydrogen at temperatures of less than 250 ° C and pressures between 1 and 1000 bar is implemented by liquid phase reforming. This makes it possible to use the waste heat of most - fuel cell types at the same temperature level at which it is obtained. Measures to increase the temperature, such as a vapor recompression, can therefore be dispensed with.
  • a HTK reactor is to be understood as meaning a device for implementing an application by hydrothermal catalysis (HTK), as described in a patent application filed under the reference 102008045484.2 at the German Trademark and Patent Office, and the disclosure of which is fully cited is incorporated in the present patent application.
  • HTK hydrothermal catalysis
  • any substance listed in the abovementioned patent applications can be used as the insert.
  • an insert is selected which comprises at least one member of the group formed of on and off
  • polyhydric alcohols and carbohydrates particularly preferably comprises methanol and / or ethanol and / or glycerol and / or sorbitol and / or xylitol and / or glucose and / or xylose and / or cellulose and / or hemicellulose.
  • Liquid phase reforming may be increased by the fact that the reforming is carried out in the presence of water. It we therefore suggested that the Carbon and hydrogen containing insert is reacted in the presence of water.
  • a fuel source is usually a hydrogen-rich product, which in addition to hydrogen also contains by-products that are undesirable in a fuel cell, and therefore must be separated before the product as fuel in the
  • Fuel cell may be initiated.
  • a further preferred embodiment of the method according to the invention therefore provides that a signal generated in the fuel source product gas is cooled down in a condenser to condense at least a portion of the undesired by-products.
  • the substances separated off from the product produced in the fuel source are flammable, they are expediently conducted into a tank and temporarily stored there.
  • the combustible materials can be removed from the tank and burned, with the heat generated thereby for heating the fuel source and the fuel cell comprising
  • the method according to the invention is suitable for generating electrical energy both by means of stationary and mobile devices. With particular advantage, however, it is used for generating at least part of the energy required for the operation of a vehicle, in particular a passenger car, wherein the reaction system comprising the fuel source and the fuel cell is arranged on board the vehicle.
  • the invention relates to a reactor system for generating electrical energy, comprising a fuel cell and a fuel source connected thereto, in the use of a carbon and containing hydrogen in one
  • a product flow can be generated, which can be supplied on the anode side directly or indirectly as fuel of the fuel cell.
  • the stated object is achieved on the part of the reactor system according to the invention in that the fuel cell and fuel source are thermally coupled, so that resulting in the fuel cell heat of the fuel source for maintaining the running there endothermic process can be fed.
  • a heat pipe is a device with which a heat source and a heat sink can be thermally coupled very effectively. In addition, it also has a comparatively low power to weight, which makes them particularly suitable for use in vehicles.
  • a preferred embodiment of the invention therefore provides that the fuel cell and the fuel source are thermally coupled via a heat pipe.
  • the reactor system according to the invention can be any kind of
  • a steam reformer in which from a carbon and hydrogen-containing insert, a product can be generated, which is fed directly or indirectly to a fuel cell as fuel.
  • the fuel source is a liquid phase reformer, and more preferably a reactor designed to carry out a hydrothermal catalysis (HTK reactor).
  • HTK reactor hydrothermal catalysis
  • a product is produced in a fuel source which, in addition to substances which can be used as fuel in a fuel cell, also contains substances which are harmful in the fuel cell and which must be separated from the product before it is passed on.
  • the product is a product gas
  • an embodiment of the reactor system according to the invention provides a condenser in which harmful substance passes through the fuel cell
  • Condensation can be separated from the product gas generated in the fuel source.
  • the reactor system comprises a tank in which substances separated off from the product produced in the fuel source can be intermediately stored. It is expedient if necessary (for example during a cold start of the device) to remove at least some of the temporarily stored substances and to burn them in a burner while generating heat required in the reaction system.
  • the reactor system comprises means for detecting the sensible heat generated in the burner of one or more components of the
  • Reactor system can be fed to heat them.
  • the Burner also be used to burn in the fuel cell resulting, still flammable substances containing exhaust gas.
  • the reactor system comprises an accumulator in which the electrical energy generated in the fuel cell can be temporarily stored.
  • the capacity of the accumulator is chosen so that it can supply the required by the fuel cell electrical line alone in the cold start phase and on the other hand can provide peak power occurring during operation (for example, for acceleration operations of a powered by the reactor system vehicle).
  • the reactor system according to the invention can be erected both stationary and installed on board a vehicle. Preferably, however, it is installed on board a vehicle to provide drive power to the vehicle.
  • Reactor system as it can be used for example to drive a passenger car.
  • a mixture of water and methanol is stored, which is conveyed via line 1 by means of the pump P1 in the HTK reactor H.
  • the methanol is reacted in the presence of a catalyst at a temperature of about 180 ° C and a pressure corresponding to the vapor pressure equilibrium in a liquid phase reaction, wherein a product gas is formed, which is withdrawn via line 2.
  • the product gas 2 consists for the most part of hydrogen, but also contains flammable by-products, which are condensed in the heat exchanger E1 at a temperature of about 30 ° C and passed through line 3 for intermediate storage in the condensate tank T2.
  • the purified product gas exits the heat exchanger E1 and is supplied as fuel 4 to the anode A of the fuel cell BZ.
  • Anodenrestgas is withdrawn via line 5 from the fuel cell BZ and in Exhaust gas burner B disposed of, largely pollutant-free exhaust gas 15 is formed.
  • the exhaust gas burner B is used to provide necessary for the operation of heat, via line 6 condensate can be supplied from the condensate tank T2 and burned.
  • condensate can be supplied from the condensate tank T2 and burned.
  • Via line 7 and the fan V of the cathode K of the fuel cell BZ air is supplied.
  • the cathode residual gas is withdrawn via line 8 and forwarded as oxidant to the exhaust gas burner B.
  • liquid water is evaporated in the heat exchanger E2.
  • a partial amount 10 of the resulting vapor 1 1 is condensed again in the heat exchanger E3 and gives off a large part of the energy absorbed in the fuel cell BZ to the HTK reactor H, where it serves to maintain the endothermic reaction taking place there.
  • the remaining, not required in the HTK reactor steam 12 is also condensed in the heat exchanger E4, wherein the heat of condensation is released to the ambient air.
  • the condensate flows 13 and 14 formed in the two heat exchangers E3 and E4 are finally conveyed back to the fuel cell BZ.
  • the characteristic of a fuel cell does not allow the electric power supplied by it to vary widely and rapidly
  • the electric power generated in the fuel cell BZ is temporarily stored in the accumulator A before being supplied to the electric motor M serving to drive the passenger car.

Abstract

The invention relates to a method and a device for generating electric energy, wherein in a fuel source, a product is derived in an endothermic process from a charge material containing carbon and hydrogen, and subsequently, is directly or indirectly conveyed as fuel to the anode side of a fuel cell. The heat generated in the fuel cell is conveyed to the fuel source for maintaining the endothermic process.

Description

Beschreibung  description
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie Method and device for generating electrical energy
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei in einer Brennstoffquelle aus einem Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatz in einem endothermen Prozess ein Produkt gewonnen und anschließend direkt oder indirekt einer Brennstoffzelle anodenseitjg als Brennstoff zugeführt wird. The invention relates to a method for generating electrical energy, wherein obtained in a fuel source from a carbon and hydrogen-containing insert in an endothermic process, a product and then anodenseitjg fuel directly or indirectly fed to a fuel cell.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the
erfindungsgemäßen Verfahrens. inventive method.
Seit Jahrzehnten werden von der Industrie erhebliche Anstrengungen unternommen, die Brennstoffzellentechnologie soweit zu entwickeln, dass ihr kommerzieller Einsatz zum Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere von Personenkraftwagen, möglich ist. In einer Vielzahl von Prototypen konnte die Funktionsfähigkeit des For decades, significant efforts have been made by the industry to develop fuel cell technology to the extent that it is commercially viable to drive vehicles, particularly passenger cars. In a variety of prototypes, the functionality of the
Brennstoffzellenantriebs zwar demonstriert werden, doch stehen die hohen Kosten und die mangelnde Alltagstauglichkeit gegenwärtig noch einer breiten Markteinführung entgegen. Although fuel cell drives are demonstrated, the high costs and the lack of everyday practicality currently still prevent a wide market introduction.
Die Alltagstauglichkeit wird besonders dadurch eingeschränkt, dass die meisten Brennstoffzellentypen als Brennstoff reinen Wasserstoff benötigen, was in zweifacher Hinsicht ein Problem darstellt. Zum Einen ist es schwierig, reinen Wasserstoff in einer Menge an Bord eines Fahrzeugs zu speichern, wie sie für eine von den Autofahrern gewohnte Reichweite erforderlich ist. Schwerwiegender ist jedoch, dass zurzeit nirgends auf der Welt ein Tankstellennetz existiert, das ausreichend dicht ist, um ein Brennstoffzellenfahrzeug zu jeder Zeit und an jedem Ort mit dem benötigten The suitability for everyday use is particularly limited by the fact that most fuel cell types require pure hydrogen as fuel, which is a problem in two respects. On the one hand, it is difficult to store pure hydrogen in an amount on board a vehicle, as required for a range that is familiar to motorists. More importantly, there is currently no petrol station network anywhere in the world that is sufficiently leak tight to supply a fuel cell vehicle at any time, anywhere
Wasserstoff versorgen zu können. To supply hydrogen.
Um auch einfacher zu handhabende Energieträger, wie z.B. Methanol, für die In order to make easier-to-handle energy sources, such as. Methanol, for the
Betankung von Brennstoffzellenfahrzeugen verwenden zu können, werden die Fahrzeuge mit Reformern ausgestattet, in denen aus dem Energieträger in einem endothermen Prozess Wasserstoff gewonnen werden kann. Nach dem Stand der Technik wird die hierfür benötigte Energie dem Energieträger entzogen, wodurch der elektrische Wirkungsgrad des Gesamtprozesses beträchtlich herabgesetzt wird. Mit der Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC, von engl. Direct Methanol Fue Cell) steht im Prinzip ein Brennstoffzellentyp zur Verfügung, die als Brennstoff anstelle von Wasserst off gas ein Methanol-Wassergemisch verarbeiten kann. Eine DMFC, die bei niedrigen Temperaturen von weniger als 100°C arbeitet, wandelt somit ohne den Umweg über einen Reformer direkt die chemische Energie des Methanols in elektrische Energie um, weist jedoch einen vergleichsweise geringen elektrischen Wirkungsgrad auf. Die praktische Umsetzung des DMFC-Prinzips befindet sich bisher noch im To be able to use refueling of fuel cell vehicles, the vehicles are equipped with reformers, in which hydrogen can be obtained from the energy source in an endothermic process. According to the prior art, the energy required for this purpose is removed from the energy carrier, whereby the electrical efficiency of the overall process is considerably reduced. With the direct methanol fuel cell (DMFC, Direct Methanol Fue Cell) is in principle a fuel cell type available, which can process a methanol-water mixture as fuel instead of Wasserst off gas. A DMFC operating at low temperatures of less than 100 ° C thus directly converts the chemical energy of methanol into electrical energy without the detour via a reformer, but has a comparatively low electrical efficiency. The practical implementation of the DMFC principle is still in progress
Entwicklungsstadium, da mehrere Probleme noch nicht gelöst werden konnten. So kann die sog. Permeation, d. h. die Wanderung von Methanol-Molekülen durch den Elektrolyten, nicht vollständig unterdrückt werden. Dies führt zu Brennstoffverlusten sowie zur Verunreinigung der Kathode der Brennstoffzelle, was zu einer Reduzierung der erzielbaren Spannung führt. Ein weiteres Problem ist die Bildung von giftigem Kohlenmonoxid an der Anode, das die eingesetzten Katalysatoren angreift und die Kinetik der Methanoloxidation herabsetzt.  Development stage, because several problems could not be solved yet. Thus, the so-called. Permeation, d. H. the migration of methanol molecules through the electrolyte, can not be completely suppressed. This leads to fuel losses and contamination of the cathode of the fuel cell, resulting in a reduction of the recoverable voltage. Another problem is the formation of toxic carbon monoxide at the anode, which attacks the catalysts used and reduces the kinetics of methanol oxidation.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der Eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Umsetzung anzugeben, die es erlauben, die elektrische Energie mit einem höheren Wirkungsgrad zu erzeugen, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Object of the present invention is to provide a method of the type mentioned above and a device for its implementation, which allow to produce the electrical energy with a higher efficiency than is possible in the prior art.
Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Brennstoffzelle entstehende Wärme der Brennstoffquelle zur Aufrechterhaltung des endothermen Prozesses zugeführt wird. According to the invention, the stated object is achieved by the fact that heat arising in the fuel cell is supplied to the fuel source for the purpose of maintaining the endothermic process.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein großer Teil der in der Brennstoffzelle anfallenden Wärme, die bisher als Abwärme entsorgt werden muss, zur By the method according to the invention, a large part of the heat accumulating in the fuel cell, which previously had to be disposed of as waste heat, to
Brennstofferzeugung genutzt werden. Zum Betrieb der Brennstoffquelle muss daher weniger oder überhaupt keine externe Energie eingesetzt werden, wodurch der elektrische Wirkungsgrad des die Brennstoffquelle und die Brennstoffzelle Fuel production can be used. For operation of the fuel source therefore less or no external energy must be used, whereby the electrical efficiency of the fuel source and the fuel cell
umfassenden Reaktorsystems erhöht wird. Um einen möglicht großen Teil der in der Bennstoffzelle anfallenden Wärme der Brennstoffquelle auf einem möglichst hohen Temperaturniveau zuführen zu können, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur thermischen Kopplung der beiden Aggregate den Einsatz eines Wärmerohres vor. comprehensive reactor system is increased. In order to be able to supply as much of the heat as possible from the fuel source in the fuel cell at the highest possible temperature level, a preferred embodiment of the method according to the invention for the thermal coupling of the two units provides for the use of a heat pipe.
Wärmerohre sind seit vielen Jahren Stand der Technik und dem Fachmann bekannt. Sie enthalten in einem hermetisch gekapselten Volumen ein Wärmeträgermedium, das teils als Flüssigkeit, teils in Gasform vorliegt. Über einen mit einer Wärmequelle verbundenen Verdampfer kann Energie auf das flüssige Wärmeträgermedium übertragen werden. Der hierbei entstehende Dampf (Brüden) strömt zu einem an anderer Stelle des Wärmerohres angeordneten, mit einer Wärmesenke in Verbindung stehenden Kondensator, wo er kondensiert. Bei der Kondensation wird die über den Verdampfer aufgenommene Energie zu einem großen Teil wieder abgegeben und auf die Wärmesenke übertragen. Das nunmehr wieder flüssige Wärmeträgermedium wird anschließend durch Wirkung der Schwerkraft, Kapillarkraft oder mit Hilfe einer Pumpe wieder zum Verdampfer zurückgefördert. Heat pipes have been state of the art and known to the person skilled in the art for many years. They contain in a hermetically encapsulated volume a heat transfer medium, which is present partly as a liquid, partly in gaseous form. Energy can be transferred to the liquid heat transfer medium via an evaporator connected to a heat source. The resulting vapor (vapors) flows to a condenser located elsewhere in the heat pipe and connected to a heat sink, where it condenses. During condensation, the energy absorbed via the evaporator is released to a large extent again and transferred to the heat sink. The now again liquid heat transfer medium is then conveyed back to the evaporator by the action of gravity, capillary force or by means of a pump.
Da sich Flüssig- und Gasphase des Wärmeträgermediums im gleichen Raum befinden, arbeitet ein Wärmerohr im Nassdampfgebiet, in dem die beiden Phasen bei gleichem Druck auch die gleiche Temperatur aufweisen. Normalerweise sind die Since the liquid and gas phase of the heat transfer medium are in the same room, a heat pipe operates in the wet steam area, in which the two phases also have the same temperature at the same pressure. Usually they are
Druckunterschiede in einem Wärmerohr sehr gering, weshalb auch die Pressure differences in a heat pipe very low, which is why the
Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator gering ist. Wegen des nahezu isothermen Charakters der Wärmeübertragung weist ein Wärmerohr einen inneren Wärmewiderstand auf, der kleiner ist als der von klassischen, rein metallischen Wärmeübertragern. Temperature difference between evaporator and condenser is low. Because of the nearly isothermal nature of heat transfer, a heat pipe has an internal thermal resistance that is less than that of classic, purely metallic heat exchangers.
Gewöhnlich werden in Fahrzeugen Dampfreformer als Brennstoffquellen eingesetzt, in denen ein kohlenstoffhaltiger Einsatz unter Zugabe von Wasser und Sauerstoff durch Dampfreformierung zu einem Wasserstoffprodukt umgesetzt wird. Handelt es sich beispielsweise bei dem Einsatz um Methanol, läuft die Dampfreformierung bei In vehicles, steam reformers are commonly used as fuel sources in which a carbonaceous feed is converted to a hydrogen product by the addition of water and oxygen by steam reforming. For example, when used with methanol, steam reforming starts
Temperaturen von mehr als 400°C ab. Abgesehen von der Schmelzkarbonat- und der Festoxid-Brennstoffzelle, die beide eher für einen stationären als für einen mobilen Einsatz geeignet sind, arbeiten Brennstoffzellen jedoch bei weit unterhalb von 400°C liegenden Temperaturen, weshalb es nicht möglich ist, die bei ihrem Betrieb anfallende Wärme direkt auf den Dampfreformer zu übertragen. Für den Fall, dass die Wärme in der Brennstoffzelle auf einem niedrigeren Niveau anfällt, als sie in der Brennstoffquelle benötigt wird, sieht eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Temperatur des in der Bennstoffzelle verdampften Wärmeträgermediums durch Brüdenverdichtung auf den erforderlichen Wert angehoben wird, bevor es in die Brennstoffquelle weitergeleitet wird, wo es kondensiert und dabei einen Großteil der mitgeführten Energie abgibt. Temperatures of more than 400 ° C from. However, apart from the molten carbonate and solid oxide fuel cells, both of which are more suitable for stationary rather than mobile use, fuel cells operate at temperatures well below 400 ° C, which is why it is not possible to obtain the heat generated during their operation directly to the steam reformer. In the event that the heat is obtained in the fuel cell at a lower level than is needed in the fuel source, provides a further embodiment of the method according to the invention that the temperature of the vaporized in the fuel cell heat transfer medium is raised by vapor compression to the required value before it is sent to the fuel source, where it condenses, giving off much of the entrained energy.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Brennstoffquelle ein Flüssigphasenreformer, wie z. B. ein HTK-Reaktor, verwendet wird, in dem der Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltende Einsatz bei Temperaturen von weniger als 250°C und Drücken zwischen 1 und 1000 bar durch Flüssigphasenreformierung umgesetzt wird. Hierdurch ist es möglich, die Abwärme der - meisten Brennstoffzellentypen auf demselben Temperaturniveau zu nutzen, auf dem sie anfällt. Auf Maßnahmen zur Temperaturerhöhung, wie beispielsweise auf eine Brüdenverdichtung, kann daher verzichtet werden. Another preferred embodiment of the method according to the invention provides that a liquid phase reformer, such as. Example, a HTK reactor is used, in which the use of carbon and hydrogen at temperatures of less than 250 ° C and pressures between 1 and 1000 bar is implemented by liquid phase reforming. This makes it possible to use the waste heat of most - fuel cell types at the same temperature level at which it is obtained. Measures to increase the temperature, such as a vapor recompression, can therefore be dispensed with.
Unter einem HTK-Reaktor ist eine Vorrichtung zur Umsetzung eines Einsatzes durch hydrothermale Katalyse (HTK) zu verstehen, wie sie in einer Patentanmeldung beschrieben wird, die unter dem Aktenzeichen 102008045484.2 beim Deutschen Marken und Patentamt eingereicht wurden, und deren Offenbarungsgehalt mit ihrer Zitierung zur Gänze in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird. A HTK reactor is to be understood as meaning a device for implementing an application by hydrothermal catalysis (HTK), as described in a patent application filed under the reference 102008045484.2 at the German Trademark and Patent Office, and the disclosure of which is fully cited is incorporated in the present patent application.
Wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein HTK-Reaktor eingesetzt, kann als Einsatz jeder Stoff gewählt werden, der in den oben genannten Patentanmeldungen aufgeführt ist. Vorzugsweise wird jedoch ein Einsatz gewählt, der wenigstes ein Mitglied der Gruppe umfasst, die gebildet wird aus ein- und If a HTK reactor is used to carry out the process according to the invention, any substance listed in the abovementioned patent applications can be used as the insert. Preferably, however, an insert is selected which comprises at least one member of the group formed of on and off
mehrwertigen Alkoholen sowie Kohlehydraten. Besonders bevorzugt umfasst der Einsatz jedoch Methanol und/oder Ethanol und/oder Glycerin und/oder Sorbitol und/oder Xylitol und/oder Glucose und/oder Xylose und/oder Cellulose und/oder Hemicellulose. polyhydric alcohols and carbohydrates. However, the use particularly preferably comprises methanol and / or ethanol and / or glycerol and / or sorbitol and / or xylitol and / or glucose and / or xylose and / or cellulose and / or hemicellulose.
Wie sich in Versuchen gezeigt hat, kann die Wasserstoffausbeute bei einer As has been shown in experiments, the hydrogen yield at a
Flüssigphasenreformierung u.U. dadurch gesteigert werden, dass die Reformierung in Gegenwart von Wasser durchgeführt wird. Es wir daher vorgeschlagen, dass der Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltende Einsatz in Gegenwart von Wasser umgesetzt wird. Liquid phase reforming may be increased by the fact that the reforming is carried out in the presence of water. It we therefore suggested that the Carbon and hydrogen containing insert is reacted in the presence of water.
Aus dem Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatz entsteht in der From the use of carbon and hydrogen arises in the
Brennstoffquelle gewöhnlich ein wasserstoffreiches Produkt, das neben Wasserstoff auch Nebenprodukte enthält, die in einer Brennstoffzelle unerwünscht sind, und die daher abgetrennt werden müssen, bevor das Produkt als Brennstoff in die A fuel source is usually a hydrogen-rich product, which in addition to hydrogen also contains by-products that are undesirable in a fuel cell, and therefore must be separated before the product as fuel in the
Brennstoffzelle"eingeleitet werden kann. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass ein in der Brennstoffquelle erzeugtes Produktgas in einem Kondensator soweit abgekühlt wird, bis zumindest ein Teil der unerwünschten Nebenprodukte auskondensiert. Fuel cell may be initiated. "A further preferred embodiment of the method according to the invention therefore provides that a signal generated in the fuel source product gas is cooled down in a condenser to condense at least a portion of the undesired by-products.
Sind die aus dem in der Brennstoffquelle erzeugten Produkt abgetrennten Stoffe brennbar, so werden sie zweckmäßiger Weise in einen Tank geleitet und dort zwischengespeichert. In der Kaltstartphase können die brennbaren Stoffe aus dem Tank entnommen und verbrannt werden, wobei die hierbei erzeugte Wärme zur Aufheizung des die Brennstoffquelle und die Brennstoffzelle umfassenden If the substances separated off from the product produced in the fuel source are flammable, they are expediently conducted into a tank and temporarily stored there. In the cold start phase, the combustible materials can be removed from the tank and burned, with the heat generated thereby for heating the fuel source and the fuel cell comprising
Reaktorsystems verwendet wird. Überschüssige brennbare Stoffe werden Reactor system is used. Excess combustible substances are
vorzugsweise während des Betriebs des Reaktorsystems in einem Abgasbrenner verbrannt. preferably burned during operation of the reactor system in an exhaust gas burner.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Erzeugung elektrischer Energie sowohl mittels stationärer als auch mobiler Einrichtungen. Mit besonderem Vorteil wird es jedoch zur Erzeugung wenigstens eines Teils der für den Betrieb eines Fahrzeuges, insbesondere eines Personenkraftwagens, benötigten Energie eingesetzt, wobei das die Brennstoffquelle und die Brennstoffzelle umfassende Reaktionssystem an Bord des Fahrzeuges angeordnet wird. The method according to the invention is suitable for generating electrical energy both by means of stationary and mobile devices. With particular advantage, however, it is used for generating at least part of the energy required for the operation of a vehicle, in particular a passenger car, wherein the reaction system comprising the fuel source and the fuel cell is arranged on board the vehicle.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Reaktorsystem zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend eine Brennstoffzelle sowie eine, mit dieser verbundene Brennstoffquelle, in der aus einem Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatz in einem Furthermore, the invention relates to a reactor system for generating electrical energy, comprising a fuel cell and a fuel source connected thereto, in the use of a carbon and containing hydrogen in one
endothermen Prozess ein Produktstrom erzeugbar ist, der direkt oder indirekt als Brennstoff der Brennstoffzelle anodenseitig zugeführt werden kann. Die gestellte Aufgabe wird seitens des Reaktorsystems erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Brennstoffzelle und Brennstoffquelle thermisch gekoppelt sind, so dass in der Brennstoffzelle entstehende Wärme der Brennstoffquelle zur Aufrechterhaltung des dort ablaufenden endothermen Prozesses zuführbar ist. endothermic process, a product flow can be generated, which can be supplied on the anode side directly or indirectly as fuel of the fuel cell. The stated object is achieved on the part of the reactor system according to the invention in that the fuel cell and fuel source are thermally coupled, so that resulting in the fuel cell heat of the fuel source for maintaining the running there endothermic process can be fed.
Ein Wärmerohr ist eine Einrichtung, mit der eine Wärmequelle und eine Wärmesenke sehr effektiv thermisch gekoppelt werden können. Darüber hinaus weist sie auch ein vergleichsweise geringes Leistungsgewicht auf, was sie insbesondere für einen Einsatz in Fahrzeugen geeignet macht. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, dass Brennstoffzelle und Brennstoffquelle über ein Wärmerohr thermisch gekoppelt sind. A heat pipe is a device with which a heat source and a heat sink can be thermally coupled very effectively. In addition, it also has a comparatively low power to weight, which makes them particularly suitable for use in vehicles. A preferred embodiment of the invention therefore provides that the fuel cell and the fuel source are thermally coupled via a heat pipe.
Als Brennstoffquelle kann das erfindungsgemäße Reaktorsystem jede Art von As a fuel source, the reactor system according to the invention can be any kind of
Einrichtung (z. B. einen Dampfreformer) aufweisen, in der aus einem Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatz ein Produkt erzeugt werden kann, das direkt oder indirekt einer Brennstoffzelle als Brennstoff zuführbar ist. Bevorzugt handelt es sich jedoch bei der Brennstoffquelle um einen Flüssigphasenreformer, und besonders bevorzugt um einen Reaktor, der zur Durchführung einer hydrothermalen Katalyse (HTK-Reaktor) ausgeführt ist. Device (eg., A steam reformer), in which from a carbon and hydrogen-containing insert, a product can be generated, which is fed directly or indirectly to a fuel cell as fuel. Preferably, however, the fuel source is a liquid phase reformer, and more preferably a reactor designed to carry out a hydrothermal catalysis (HTK reactor).
Häufig wird in einer Brennstoffquelle ein Produkt erzeugt, das neben Stoffen, die als Brennstoff in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden können, auch solche Stoffe enthält, die in der Brennstoffzelle schädlich sind, und die vor seiner Weiterleitung aus dem Produkt abgetrennt werden müssen. Handelt es sich bei dem Produkt um ein Produktgas, so sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktorsystems einen Kondensator vor, in dem für die Brennstoffzelle schädliche Stoff durch Frequently, a product is produced in a fuel source which, in addition to substances which can be used as fuel in a fuel cell, also contains substances which are harmful in the fuel cell and which must be separated from the product before it is passed on. If the product is a product gas, an embodiment of the reactor system according to the invention provides a condenser in which harmful substance passes through the fuel cell
Kondensation von dem in der Brennstoffquelle erzeugten Produktgas abgetrennt werden können. Condensation can be separated from the product gas generated in the fuel source.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Reaktorsystem einen Tank, in welchem aus dem in der Brennstoffquelle erzeugten Produkt abgetrennte Stoffe zwischengespeichert werden können. Sinnvollerweise kann bei Bedarf (z. B. bei einem Kaltstart der Vorrichtung) zumindest ein Teil der zwischengespeicherten Stoffe entnommen und unter Erzeugung von im Reaktionssystem benötigter Wärme in einem Brenner verbrannt werden. Hierzu weist das Reaktorsystem Einrichtung auf, über die im Brenner erzeugte fühlbare Wärme einer oder mehreren Komponenten des In a further embodiment, the reactor system according to the invention comprises a tank in which substances separated off from the product produced in the fuel source can be intermediately stored. It is expedient if necessary (for example during a cold start of the device) to remove at least some of the temporarily stored substances and to burn them in a burner while generating heat required in the reaction system. For this purpose, the reactor system comprises means for detecting the sensible heat generated in the burner of one or more components of the
Reaktorsystems zuführbar ist, um diese aufzuheizen. Zweckmäßigerweise ist der Brenner auch dazu verwendbar, um in der Brennstoffzelle entstehendes, noch brennbare Stoffe enthaltendes Abgas zu verbrennen. Reactor system can be fed to heat them. Appropriately, the Burner also be used to burn in the fuel cell resulting, still flammable substances containing exhaust gas.
Das erfindungsgemäße Reaktorsystem weiterbildend wird vorgeschlagen, dass es einen Akkumulator umfasst, in dem die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie zwischengespeichert werden kann. Die Kapazität des Akkumulators ist dabei so gewählt, dass er einerseits in der Kaltstartphase die von der Brennstoffzelle geforderte elektrische Leitung alleine liefern und andererseits im Betrieb auftretende Leistungsspitzen (beispielsweise für Beschleunigungsvorgänge eines mit Hilfe des Reaktorsystems betriebenen Fahrzeuges) bereitstellen kann. Further developing the reactor system according to the invention, it is proposed that it comprises an accumulator in which the electrical energy generated in the fuel cell can be temporarily stored. The capacity of the accumulator is chosen so that it can supply the required by the fuel cell electrical line alone in the cold start phase and on the other hand can provide peak power occurring during operation (for example, for acceleration operations of a powered by the reactor system vehicle).
Das erfindungsgemäße Reaktorsystem kann sowohl stationär errichtet als auch an Bord eines Fahrzeugs installiert sein. Vorzugsweise ist sie jedoch an Bord eines Fahrzeugs installiert, um Antriebsenergie für das Fahrzeugs zu liefern. The reactor system according to the invention can be erected both stationary and installed on board a vehicle. Preferably, however, it is installed on board a vehicle to provide drive power to the vehicle.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In the following, the invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment shown schematically in FIG.
Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein mit Methanol betriebenes The exemplary embodiment is a methanol-operated one
Reaktorsystem, wie es beispielsweise zum Antrieb eines Personenkraftwagens eingesetzt werden kann. Reactor system, as it can be used for example to drive a passenger car.
Im Tank T1 ist ein Gemisch aus Wasser und Methanol gespeichert, das über die Leitung 1 mit Hilfe der Pumpe P1 in den HTK-Reaktor H gefördert wird. Im HTK- Reaktor H wird das Methanol in Gegenwart eines Katalysators bei einer Temperatur von ca. 180°C und einem Druck entsprechend den Dampfdruckgleichgewichten in einer Flüssigphasenreaktion umgesetzt, wobei ein Produktgas entsteht, das über Leitung 2 abgezogen wird. Das Produktgas 2 besteht zum überwiegenden Teil aus Wasserstoff, enthält daneben jedoch auch noch brennbare Nebenprodukte, die im Wärmetauscher E1 bei einer Temperatur von ca. 30°C auskondensiert und über Leitung 3 zur Zwischenspeicherung in den Kondensattank T2 geleitet werden. Mit einem Druck, der nur wenig höher ist als der Umgebungsdruck, tritt das gereinigte Produktgas aus dem Wärmetauscher E1 aus und wird als Brennstoff 4 der Anode A der Brennstoffzelle BZ zugeführt. Das immer noch Wasserstoff enthaltende In tank T1, a mixture of water and methanol is stored, which is conveyed via line 1 by means of the pump P1 in the HTK reactor H. In the HTK reactor H, the methanol is reacted in the presence of a catalyst at a temperature of about 180 ° C and a pressure corresponding to the vapor pressure equilibrium in a liquid phase reaction, wherein a product gas is formed, which is withdrawn via line 2. The product gas 2 consists for the most part of hydrogen, but also contains flammable by-products, which are condensed in the heat exchanger E1 at a temperature of about 30 ° C and passed through line 3 for intermediate storage in the condensate tank T2. With a pressure which is only slightly higher than the ambient pressure, the purified product gas exits the heat exchanger E1 and is supplied as fuel 4 to the anode A of the fuel cell BZ. The still containing hydrogen
Anodenrestgas wird über Leitung 5 aus der Brennstoffzelle BZ abgezogen und im Abgasbrenner B entsorgt, wobei weitgehend schadstofffreies Abgas 15 entsteht. Bei einem Kaltstart des Reaktorsystems dient der Abgasbrenner B zur Bereitstellung von für den Betrieb notwendiger Wärme, wobei über Leitung 6 Kondensat aus dem Kondensattank T2 zugeführt und verbrannt werden kann. Über Leitung 7 und das Gebläse V wird der Kathode K der Brennstoffzelle BZ Luft zugeleitet. Mit einem Sauerstoffgehalt von cä. 10% wird das Kathodenrestgas über Leitung 8 abgezogen und als Oxydationsmittel an den Abgasbrenner B weitergeleitet. Zur Abführung der in der Brennstoffzelle BZ entstehenden Abwärme wird im Wärmetauscher E2 flüssiges Wasser verdampft. Eine Teilmenge 10 des hierbei entstehende Dampfs 1 1 wird im Wärmetauscher E3 wieder kondensiert und gibt dabei einen großen Teil der in der Brennstoffzelle BZ aufgenommenen Energie an den HTK-Reaktor H ab, wo sie der Aufrechterhaltung der dort ablaufenden endothermen Reaktion dient. Der restliche, nicht im HTK-Reaktor benötigte Dampf 12 wird im Wärmetauscher E4 ebenfalls kondensiert, wobei die Kondensationswärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Mit Hilfe der Pumpe P2 werden die in den beiden Wärmetauschern E3 und E4 gebildeten Kondensatströme 13 und 14 schließlich wieder zur Brennstoffzelle BZ zurückgefördert. Die Charakteristik einer Brennstoffzelle erlaubt es nicht, die von ihr gelieferte elektrische Leistung den stark und schnell schwankenden Anodenrestgas is withdrawn via line 5 from the fuel cell BZ and in Exhaust gas burner B disposed of, largely pollutant-free exhaust gas 15 is formed. In a cold start of the reactor system, the exhaust gas burner B is used to provide necessary for the operation of heat, via line 6 condensate can be supplied from the condensate tank T2 and burned. Via line 7 and the fan V of the cathode K of the fuel cell BZ air is supplied. With an oxygen content of cä. 10%, the cathode residual gas is withdrawn via line 8 and forwarded as oxidant to the exhaust gas burner B. To dissipate the waste heat generated in the fuel cell BZ liquid water is evaporated in the heat exchanger E2. A partial amount 10 of the resulting vapor 1 1 is condensed again in the heat exchanger E3 and gives off a large part of the energy absorbed in the fuel cell BZ to the HTK reactor H, where it serves to maintain the endothermic reaction taking place there. The remaining, not required in the HTK reactor steam 12 is also condensed in the heat exchanger E4, wherein the heat of condensation is released to the ambient air. With the help of the pump P2, the condensate flows 13 and 14 formed in the two heat exchangers E3 and E4 are finally conveyed back to the fuel cell BZ. The characteristic of a fuel cell does not allow the electric power supplied by it to vary widely and rapidly
Leistungsanforderungen eines Personenkraftwagens anzupassen. Aus diesem Grund wird die in der Brennstoffzelle BZ erzeugte elektrisch Energie im Akkumulator A zwischengespeichert, bevor sie an den zu Antrieb des Personenkraftwagens dienenden Elektromotor M geliefert wird. Adjust the performance requirements of a passenger car. For this reason, the electric power generated in the fuel cell BZ is temporarily stored in the accumulator A before being supplied to the electric motor M serving to drive the passenger car.

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei in einer Brennstoffquelle aus einem Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatz in einem endothermen Prozess ein Produkt gewonnen und anschließend direkt oder indirekt einer Brennstoffzelle anodenseitig als Brennstoff zugeführt wird, dadurch A method for generating electrical energy, wherein in a fuel source from a carbon and hydrogen-containing insert in an endothermic process, a product is obtained and then directly or indirectly fed to a fuel cell on the anode side as fuel, characterized
gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzelle entstehende Wärme der characterized in that resulting in the fuel cell heat the
Brennstoffquelle zur Aufrechterhaltung des endothermen Prozesses zugeführt wird. Fuel source is supplied to maintain the endothermic process.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzelle entstehende Wärme der Brennstoffquelle über ein Wärmerohr zugeführt wird. A method according to claim 1, characterized in that in the fuel cell resulting heat of the fuel source is supplied via a heat pipe.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatz bei Temperaturen von weniger als 200°C und Drücken zwischen 1 und 1000 bar durch Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the carbon and hydrogen-containing insert at temperatures of less than 200 ° C and pressures between 1 and 1000 bar by
Flüssigphasenreformierung, vorzugsweise durch hydrothermale Katalyse, umgesetzt wird. Liquid phase reforming, preferably by hydrothermal catalysis, is implemented.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz Sauerstoff enthält, wobei er vorzugsweise Methanol und/oder Ethanol und/oder Glycerin und/oder Sorbitol und/oder Xylitol und/oder Glucose und/oder Xylose und/oder Cellulose und/oder Hemicellulose umfasst. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the insert contains oxygen, preferably methanol and / or ethanol and / or glycerol and / or sorbitol and / or xylitol and / or glucose and / or xylose and / or cellulose and / or hemicellulose.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltende Einsatz in Gegenwart von Wasser umgesetzt wird. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the carbon and hydrogen-containing insert is reacted in the presence of water.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie zum Betrieb eines Fahrzeugs verwendet wird. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrical energy generated in the fuel cell is used for operating a vehicle.
Reaktorsystem zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend eine Reactor system for generating electrical energy, comprising
Brennstoffzelle sowie eine mit dieser verbundene Brennstoffquelle, in der aus einem Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatz in einem endothermen Prozess ein Produktstrom erzeugbar ist, der direkt oder indirekt als Brennstoff der Brennstoffzelle anodenseitig zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzelle und Brennstoffquelle thermisch gekoppelt sind, so dass in der Brennstoffzelle entstehende Wärme der Brennstoffquelle zur Aufrechterhaltung des dort ablaufenden endothermen Prozesses zuführbar ist. Fuel cell and a fuel source connected to this, in which from a carbon and hydrogen-containing insert in an endothermic process, a product flow can be generated, which can be supplied on the anode side directly or indirectly as fuel of the fuel cell, characterized the fuel cell and the fuel source are thermally coupled, so that heat arising in the fuel cell can be supplied to the fuel source in order to maintain the endothermic process taking place there.
8. Reaktorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzelle und Brennstoffquelle über ein Wärmerohr thermisch gekoppelt sind. 8. Reactor system according to claim 7, characterized in that the fuel cell and fuel source are thermally coupled via a heat pipe.
9. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffquelle als Reaktor zur Durchführung einer 9. Reactor system according to one of claims 7 or 8, characterized in that the fuel source as a reactor for carrying out a
Flüssigphasenreformierung, vorzugsweise einer hydrothermalen Katalyse, ausgeführt ist.  Liquid phase reforming, preferably a hydrothermal catalysis is executed.
10. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung umfasst, in der für die Brennstoffzelle schädliche Stoffe durch Kondensation von dem in der Brennstoffquelle erzeugten Produktgas abgetrennt werden können. 10. Reactor system according to one of claims 7 to 9, characterized in that it comprises a device in which harmful substances for the fuel cell can be separated by condensation of the product gas generated in the fuel source.
11. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Tank umfasst, in welchem aus dem in der Brennstoffquelle erzeugten Produkt abgetrennte Stoffe zwischengespeichert werden können. 11. Reactor system according to one of claims 7 to 10, characterized in that it comprises a tank, in which from the product produced in the fuel source separated substances can be cached.
12. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Brenner umfasst, in dem das Abgas der Brennstoffzelle und/oder aus dem in der Brennstoffquelle erzeugten Produkt abgetrennte Stoffe verbrannt werden können. 12. Reactor system according to one of claims 7 to 11, characterized in that it comprises a burner, in which the exhaust gas of the fuel cell and / or from the product produced in the fuel source separated substances can be burned.
13. Reaktorsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine 13. Reactor system according to claim 12, characterized in that it has a
Einrichtung umfasst, über die im Brenner erzeugte fühlbare Wärme einer oder mehrereri Komponenten des Reaktorsystems zuführbar ist, um diese aufzuheizen.  Means comprises, via the sensible heat generated in the burner of one or morei components of the reactor system can be supplied to heat them.
14. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie an Bord eines Fahrzeug installiert ist, um Antriebsenergie für das 14. Reactor system according to one of claims 7 to 13, characterized in that it is installed on board a vehicle to drive power for the
Fahrzeugs zu liefern.  Vehicle to deliver.
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