WO2017097423A1 - Elektrochemischer modulreaktor - Google Patents

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WO2017097423A1
WO2017097423A1 PCT/EP2016/002075 EP2016002075W WO2017097423A1 WO 2017097423 A1 WO2017097423 A1 WO 2017097423A1 EP 2016002075 W EP2016002075 W EP 2016002075W WO 2017097423 A1 WO2017097423 A1 WO 2017097423A1
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electrochemical
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module reactor
heat exchanger
electrochemical cell
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Manfred Hampe
Sebastian Lang
Timur KAZDAL
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Technische Universität Darmstadt
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical reactor, in particular an electrochemical module reactor for operation with at least two reactants.
  • the reactor comprises at least one electrochemical cell, at least one reactant feed and at least one heat exchanger.
  • the invention is further directed to methods which can be carried out by means of the module reactor and to products which can be produced therewith.
  • a problematic temperature distribution within the reactor may result.
  • the temperature distribution can be so heterogeneous that individual areas of the reactor are driven in an optimal temperature range for each reaction, while other areas of the reactor have too low or too high temperatures for an optimal reaction sequence.
  • the reactor efficiency is reduced and it can lead to further disadvantages such as damage to the Reactor components and / or impairments of the reactants due to inadmissible temperature values come.
  • the object of the invention is therefore to provide a module reactor with an improved arrangement of the reactor components or to allow an improved arrangement of the heat exchanger or the corresponding lines of the heat exchanger, which can be acted upon by the temperature distribution within the reactor to make this optimal or even order advantageous to heat the reactor or the corresponding components quickly to operating temperature during the startup phase of the reactor.
  • This provides a reactor with improved heat extraction, and it is possible to efficiently drain the increased waste heat output of an enhanced power density reactor from the reactor.
  • an electrochemical module reactor having the features of claim 1, with at least one hollow-body-shaped electrochemical cell, at least one reactant feed and at least one heat exchanger dissolved, wherein the electrochemical cell and the heat exchanger are at least partially disposed within a shell.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the electrochemical cell, the Reaktantzu Entry and / or the heat exchanger are not planar but for example, formed as a tubular fluid lines, a particularly space-saving and spatially close arrangement of the individual fluid lines within the shell is possible.
  • a hollow-body-shaped electrochemical cell is meant here a cell which is not constructed in a planar manner but has an interior. Of the Interior space does not have to be limited on all sides.
  • the interior may have one or more openings, it may be, for example, a tubular body.
  • the electrochemical cell and / or the reactant feed and / or the heat exchanger each comprise one or more fluid conduits or are formed as fluid conduits, and / or that the electrochemical cell comprises an electrolyte region, and / or that the reactant feed is at least partially disposed within the shell, and / or that the heat exchanger is designed as a heat exchanger with fluid circuit, in particular as a thermosiphon and / or as a heat pipe, and / or is designed as a thermocouple.
  • the fluid lines can have any and not constant cross sections. In particularly preferred embodiments, the cross sections are circular. Equally, however, profiles with angular cross sections or with cross sections of any shape are conceivable. Due to complex cross-sectional geometries, it is conceivable, for example, to optimize the heat transfer with regard to the reaction and / or the durability of the membrane.
  • the electrolyte which is encompassed by the electrolyte region, may be formed as a membrane, as doped ceramic and / or as immobilized acid.
  • the reactant feed may be formed as a fluid conduit within the shell.
  • the Reaktantzu operation communicates via corresponding connections with the interior of the shell and in the interior itself no structures of Reaktantzu operation are provided.
  • the heat exchanger may be formed, for example, as a tube bundle heat exchanger.
  • the fluid lines run parallel to one another and / or that the fluid lines of the electrochemical cell run at least partially within the fluid lines of the heat exchanger or vice versa.
  • the fluid lines can extend, for example, parallel between the top surface and the bottom surface of the cylinder. Accordingly, in cuboidal or other embodiment of the shell, the fluid lines between opposite sides and in particular parallel to each other. If the fluid lines are designed with a simple, for example, circular, cross-section, they can thereby run parallel to each other. On the other hand, if the fluid lines or parts of the fluid lines are designed with complex cross-sections which have cavities, then other fluid lines can run within the cavities of the fluid lines formed in this way.
  • the fluid lines are at least partially formed as flow lines within an interior of the shell, wherein the flow lines each lead at one point into the interior of the shell and out at a different location from the interior of the shell.
  • the fluid lines can lead into the interior of the jacket, for example through a cover surface of the jacket, and out of its interior through a base surface of the jacket. This allows a particularly simple and particularly easy to manufacture geometry of the module reactor.
  • the fluid lines can also be designed in Haarnadelbauweise.
  • the reactant feed comprises a porous passage region.
  • the porous design of the passband allows an advantageous uniform flow through the passage area.
  • the reactant contained in the reactant feed or the reactant supplied by it is introduced particularly uniformly into the interior of the jacket.
  • a correspondingly porous passband is also particularly easy to produce. If the reactant thus introduced then reacts within the interior of the jacket or in the region of the electrochemical cell with a further reactant, this can take place particularly uniformly, which is advantageous for the efficiency of the reaction.
  • the electrolyte region is provided in a central region of the electrochemical cell, and / or that the passage region is provided in a central region of the reactant feed.
  • the middle area may mean an area located centrally in the axial direction of the fluid lines. If the fluid lines run straight through a cylindrically shaped jacket, then the electrolyte region and / or the passage region can be provided correspondingly in the axially middle region of the jacket. Due to the central arrangement of the corresponding areas, the greatest possible cooling of these areas can be effected, as a result of which reactions, which depend on cooling, can take place particularly efficiently.
  • the electrolyte region and / or the passage region are provided on a jacket region of the fluid lines, or that the electrolyte region and / or the Passage region form a cladding region of the fluid lines, and / or that the electrolyte region comprises an ion-exchange membrane and / or that the passage region is permeable to reactants supplied by reactant.
  • the jacket region of the fluid lines or a part thereof becomes a region through which a material throughput or transport between the insides of the fluid lines and their outer sides is made possible.
  • the correspondingly shaped electrolyte region or passage region thus enables both mass transport through the respective region as well as in the axial direction of the corresponding fluid line.
  • the electrolyte region or the passage region can not be planar but can be designed in accordance with the shape of the fluid line.
  • the electrochemical cell and the reactant feed to separately supply different reactants to the module reactor, and / or that the electrochemical cell is a reducing agent feed line of the module reactor and the reactant feed is an oxidant feed line of the module reactor or vice versa.
  • the reaction of the reactants with one another can thus be carried out selectively in a specific region of the jacket or in specific regions of the electrochemical cell.
  • the reducing agent may be a fuel such as hydrogen or a hydrogen-containing compound or a mixture
  • the oxidizing agent may be oxygen, oxygen or an oxygen-containing compound or a mixture.
  • the module reactor can be used as a galvanic cell for voltage generation. Conversely, if an electrical voltage is applied to the electrochemical cell, the module reactor can be used by selecting appropriate reactants for electrolysis.
  • An embodiment of the module reactor with fuel supply and oxygen supply and with proton exchange membranes can thereby refer to a PEM fuel cell.
  • the hollow-body-shaped electrochemical cells of such a PEM fuel cell may have a membrane or an electrolyte, which is produced in a dip coating process in combination with a sol-gel process and consists of a polymer.
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • the presently usable proton exchange membranes operate at temperatures of less than 400 ° C, especially less than 300 ° C.
  • the presently usable proton exchange membranes operate at temperatures of 120-250 ° C. and more preferably in the range of 120-160 ° C.
  • the invention is further directed to a method for carrying out an electrolysis or electrosynthesis or else for generating an electric current flow by means of an electrochemical module reactor according to any one of claims 1 to 8 and to an electrolysis product or Elektrosynthese wh which by means of an electrochemical module reactor according to one of claims 1 to 8 is made.
  • Figure 1 electrochemical module reactor in a perspective sectional view
  • Figure 3 Structure of an electrochemical cell
  • Figure 4 a further embodiment of an electrochemical module reactor in a perspective sectional view.
  • FIG. 1 shows an electrochemical module reactor 100 or reactor 100 with a plurality of electrochemical cells 1, reactant feeders 2 and a heat exchanger 3, wherein the components 1, 2, 3 are arranged inside the jacket 4 and aligned parallel to the longitudinal axis of the cylindrical jacket 4 ,
  • the electrochemical cells 1 each have an electrolyte region 11 and the reactant feeds 2 each have a passage region 21. Through the electrolyte region 11 and the passage region 21, reactants can flow into the interior 41 of the jacket 4 or vice versa or also from the interior 41 into the interior of the electrochemical cells 1.
  • the electrochemical cells 1, the Reaktantzu Adjustmenten 2 and the heat exchanger 3 are formed in the embodiment shown as pipes or fluid lines.
  • the fluid lines run parallel to each other. It is also conceivable, however, an arrangement in which the fluid lines are arranged at an angle to each other.
  • the fluid lines are formed in the embodiment shown as flow lines, which are arranged within the interior 41 of the shell 4.
  • the jacket 4 itself can be designed substantially cylindrical or hohizylinderförmig.
  • FIG. 1 shows the perspective sectional view of a module reactor 100 with a correspondingly hollow cylinder-shaped jacket 4.
  • the fluid lines extend essentially in the axial direction within the jacket 4 between a cover surface 42 and a base 43 of the jacket 4.
  • a porous region is shown, which may correspond to the passage region 21.
  • oxygen is introduced into the module reactor 100 by the reactant feeds 2, it can enter through the porous region from the reactant feeds 2 and into the interior 41 of the jacket 4.
  • the passage region 21 may also be nonporous Be formed area in which, for example, corresponding passages instead of pores are provided for the mass transfer.
  • the oxygen or another reactant can flow from the reactant feed 2 substantially radially and axially outwards in the direction of the outer walls of the jacket 4.
  • the electrolyte regions 11 and the passage regions 21 may be provided in central regions of the electrochemical cells 1 and the reactant feeds 2, respectively.
  • the electrolyte regions 11 and the passage regions 11 may also extend along the entire length of the electrochemical cell 1 and reactant feed 2 located within the jacket 4 or on parts thereof.
  • FIG. 1 shows that the electrolyte region 11 and the passage region 21 are provided on jacket regions of the fluid lines of the electrochemical cells 1 and of the reactant feeds 2.
  • the jacket regions of the fluid lines embodied in this way can thus both guide the reactants guided therein axially within the fluid lines and also allow them to escape from the fluid lines in the radial direction.
  • the electrochemical cells 1 and the reactant feeds 2 can introduce different reactants into the module reactor 100 separately or from the module reactor 100.
  • the reactants in the case of the fuel cell may be, for example, a hydrogen-containing fuel and an oxygen-containing gas, or pure oxygen or hydrogen.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the module reactor 100, wherein the heat exchanger 3 is not a cylindrical tube or cylindrical fluid line is executed, but has a complex geometry.
  • the heat exchanger 3 may be formed so that it at least partially or largely surrounds the electrochemical cells 1 and / or the Reaktantzu Entryen 2 or a part thereof.
  • the heat exchanger 3 is constructed revolver drum-like and has corresponding distributed circumferentially arranged passages 31, in which the electrochemical cells 1 can be performed.
  • the heat exchanger 3 may be rotationally symmetrical or have rotationally symmetric sections.
  • the heat exchanger 3 may be subdivided into radially spaced-apart sub-modules 32, 33, which have said passages 31 arranged distributed in the circumferential direction.
  • the feedthroughs 31 may be associated with and receive radially and circumferentially spaced apart electrochemical cells 1 and / or reactant feeds 2.
  • the different sub-modules 32, 33 may contain different heat transfer fluid streams. Thus, a cooling or heating power depending on the radial position of the electrochemical cells 1 can be adjusted. Radially further outward electrochemical cells 1, which require, for example, an increased cooling capacity, can be cooled, for example, by means of increased heat exchanger fluid rates.
  • the subdivision of the heat exchanger 3 into submodules 32, 33 can also be refined such that a single electrochemical cell 1 or a few electrochemical cells 1 each have a submodule with its own heat exchanger fluid flow of the heat exchanger 3 or of a submodule 32, 33 of the heat exchanger 3 is assigned.
  • the electrochemical cells 1 can be arranged as described. Through the gap, which is located between the wall of the bushings 31 and extending within the passage 31 electrochemical cells 1, reactants in the axial and / or radial direction relative to the jacket 4 can be performed.
  • FIG. 3 shows the structure of an anode-carrying electrochemical cell 1 which can be used in the invention as an alternative or in addition to a cathodic electrochemical cell 1.
  • the electrochemical cell 1 is not planar but hollow cylindrical. Conceivable, however, are generally hollow body-shaped embodiments. It comprises radially inside a support electrode 12 and radially outside a jacket electrode 13 between the support electrode 12 and the sheath electrode 13 are provided by a membrane 14 separate catalyst layers of the anode 15 and the cathode 16.
  • a hollow cylindrical electrochemical cell 1 is suitable, together with heat exchanger 3 and Reaktantzu Adjusten 2, which may also be configured as a hollow cylinder, to be disposed within the shell 4 of a module reactor 100.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of an electrochemical module reactor 100 in a perspective sectional view with a plurality of electrochemical cells 1 and heat exchangers 3, the components 1 and 3 being arranged inside the jacket 4.
  • the reactant feed 2 does not comprise any fluid lines which are specifically arranged inside the jacket 4, but comprises passages which supply the reactant or reactants into the interior 41 of the jacket 4 and discharge excess reactants and / or reaction products from the interior 41 of the shell 4 allow.
  • the electrochemical cells 1 and the heat exchanger 3 are formed in the embodiment shown as pipes or fluid lines.
  • the Fluid lines run parallel to one another as in the example of FIG. 1, but may instead be arranged at an angle to one another.
  • the reactant is not guided within fluid lines in the interior 41 of the shell 4, but introduced over the cylinder surface of the shell 1 in the interior 41. It is also conceivable to introduce the reactants but also at any other point in the jacket 4. Within the jacket 4, the reactant or the reactants can react with further reactants introduced via the electrochemical cells 1.
  • the heat exchanger 3 may be arranged so that they allow a heat transfer between the interior 41 of the shell 4 and an external heat sink and / or an external heat source that is as advantageous as possible for the corresponding reaction.
  • FIG. 1 shows the perspective sectional view of a module reactor 100 with a correspondingly hollow-cylindrical jacket 4.
  • the fluid lines extend essentially in the axial direction within the jacket 4 between a cover surface 42 and a base 43 of the jacket 4.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Modulreaktor mit elektrochemischer Zelle, Reaktantzuführung und wenigstens einem Wärmeübertrager. Die Erfindung richtet sich ferner auf Verfahren zur Durchführung einer Elektrolyse oder einer Elektrosynthese oder zur Erzeugung eines elektrischen Stromflusses mittels eines entsprechenden Modulreaktors. Die Erfindung betrifft auch entsprechende mittels Elektrolyse oder Elektrosynthese hergestellte Produkte.

Description

Elektrochemischer Modulreaktor
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Reaktor, insbesondere einen elektrochemischen Modulreaktor zum Betrieb mit wenigstens zwei Reaktanten. Der Reaktor umfasst wenigstens eine elektrochemische Zelle, wenigstens eine Reaktantzuführung und wenigstens einen Wärmeübertrager. Die Erfindung richtet sich ferner auf mittels des Modulreaktors durchführbare Verfahren sowie auf damit herstellbare Erzeugnisse.
Bei gattungsgemäßen Modulreaktoren kann sich in Abhängigkeit von der räumlichen Verteilung bzw. Ausgestaltung der einzelnen Komponenten des Reaktors und in Abhängigkeit vom Reaktionsablauf eine problematische Temperaturverteilung innerhalb des Reaktors ergeben. Die Temperaturverteilung kann dabei so heterogen sein, dass einzelne Bereiche des Reaktors in einem für die jeweilige Reaktion optimalen Temperaturbereich gefahren werden, während andere Bereiche des Reaktors zu niedrige oder zu hohe Temperaturen für einen optimalen Reaktionsablauf aufweisen. Hierdurch wird die Reaktoreffizienz verringert und es kann zu weiteren Nachteilen wie Beschädigungen der Reaktorkomponenten und/oder Beeinträchtigungen der Reaktionspartner aufgrund unzulässiger Temperaturwerte kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Modulreaktor mit einer verbesserten Anordnung der Reaktorkomponenten bereitzustellen bzw. eine verbesserte Anordnung des Wärmeübertragers oder der entsprechenden Leitungen des Wärmeübertragers zu ermöglichen, wodurch auf die Temperaturverteilung innerhalb des Reaktors eingewirkt werden kann um diese optimal zu gestalten oder auch um den Reaktor bzw. die entsprechenden Komponenten vorteilhaft schnell auf Betriebstemperatur während der Startphase des Reaktors aufzuheizen. Dadurch wird ein Reaktor mit verbesserter Wärmeauskopplung bereitgestellt und es ist möglich, die erhöhte Abwärmeleistung eines Reaktors mit gesteigerter Leistungsdichte wirksam aus dem Reaktor abzuleiten. Durch die erfindungsgemäße Integration eines Wärmeübertragers und der weiteren Reaktorkomponenten innerhalb eines Reaktormoduls bzw. der Integration der genannten Komponenten innerhalb eines gemeinsamen Mantels kann das Gesamtsystem fernerhin insgesamt weniger komplex und kompakter als einzelnes Modul realisiert werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen elektrochemischen Modulreaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, mit wenigstens einer hohlkörperförmigen elektrochemischen Zelle, wenigstens einer Reaktantzuführung und wenigstens einem Wärmeübertrager gelöst, wobei die elektrochemische Zelle und der Wärmeübertrager wenigstens teilweise innerhalb eines Mantels angeordnet sind. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weil erfindungsgemäß die elektrochemische Zelle, die Reaktantzuführung und/oder der Wärmeübertrager nicht planar sondern beispielsweise als röhrenförmige Fluidleitungen ausgebildet werden, ist eine besonders platzsparende und räumlich nahe Anordnung der einzelnen Fluidleitungen innerhalb des Mantels möglich.
Mit einer hohlkörperförmigen elektrochemischen Zelle ist hierbei eine Zelle gemeint, welche nicht planar aufgebaut ist, sondern einen Innenraum aufweist. Der Innenraum muss dabei nicht allseitig begrenzt sein. Der Innenraum kann eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, es kann sich beispielsweise um einen röhrenförmigen Körper handeln.
Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einer Komponente die Rede ist, dann ist damit stets gemeint, dass auch mehr als eine entsprechende Komponente vorliegen kann bzw. dass wenigstens eine Komponente vorliegen muss.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die elektrochemische Zelle und/oder die Reaktantzuführung und/oder der Wärmeübertrager jeweils eine oder mehrere Fluidleitungen umfassen oder als Fluidleitungen ausgebildet sind, und/oder dass die elektrochemische Zelle einen Elektrolytbereich umfasst, und/oder dass die Reaktantzuführung wenigstens teilweise innerhalb des Mantels angeordnet ist, und/oder dass der Wärmeübertrager als Wärmeübertrager mit Fluidkreislauf, insbesondere als Thermosiphon und/oder als Wärmerohr ausgebildet ist, und/oder als Thermoelement ausgebildet ist. Die Fluidleitungen können dabei beliebige und auch nicht konstante Querschnitte aufweisen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die Querschnitte kreisförmig. Genauso sind aber auch Profile mit eckigen Querschnitten oder mit Querschnitten beliebiger Form denkbar. Durch komplexe Querschnittsgeometrien ist es denkbar, beispielsweise den Wärmetransfer in Hinsicht auf die Reaktion und/oder die Haltbarkeit der Membran zu optimieren.
Der Elektrolyt, welcher vom Elektrolytbereich umfasst ist, kann als Membran, als dotierte Keramik und/oder als immobilisierte Säure ausgebildet sein. Die Reaktantzuführung kann als Fluidleitung innerhalb des Mantels ausgebildet sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Reaktantzuführung über entsprechende Anschlüsse mit dem Innenraum des Mantels kommuniziert und im Innenraum selbst keine Strukturen der Reaktantzuführung vorgesehen sind. Der Wärmeübertrager kann beispielsweise als Rohrbündelwärmeübertrager ausgebildet sein. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Fluidleitungen parallel zueinander verlaufen und/oder dass die Fluidleitungen der elektrochemischen Zelle wenigstens teilweise innerhalb der Fluidleitungen des Wärmeübertragers verlaufen oder umgekehrt. Durch die parallele Anordnung der Fluidleitungen innerhalb des Mantels ist ein besonders einfacher Aufbau des Modulreaktors realisierbar. Wenn der Mantel als zylinderförmiges Bauteil ausgeführt ist, so können sich die Fluidleitungen beispielsweise parallel zwischen Deckfläche und Grundfläche des Zylinders erstrecken. Entsprechend können sich bei quaderförmiger oder sonstiger Ausführung des Mantels die Fluidleitungen zwischen gegenüberliegenden Seiten und insbesondere parallel zueinander erstrecken. Wenn die Fluidleitungen dabei mit einfachem, beispielsweise kreisförmigem, Querschnitt ausgeführt sind, so können sie dabei parallel nebeneinander verlaufen. Sind die Fluidleitungen oder Teile der Fluidleitungen dagegen mit komplexen Querschnitten ausgeführt, die Hohlräume aufweisen, so können innerhalb der Hohlräume der so geformten Fluidleitungen andere Fluidleitungen verlaufen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Fluidleitungen wenigstens teilweise als Durchflussleitungen innerhalb eines Innenraums des Mantels ausgebildet sind, wobei die Durchflussleitungen je an einer Stellen in den Innenraum des Mantels hineinführen und an einer anderen Stelle aus dem Innenraum des Mantels hinausführen. Bei einem im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführten Mantel können die Fluidleitungen dabei beispielsweise durch eine Deckfläche des Mantels in den Innenraum des Mantels hineinführen und durch eine Grundfläche des Mantels aus dessen Innenraum hinausführen. Hierdurch wird eine besonders einfache und besonders einfach herzustellende Geometrie des Modulreaktors ermöglicht. Die Fluidleitungen können auch in Haarnadelbauweise ausgeführt sein.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Reaktantzuführung einen porösen Durchlassbereich umfasst. Die poröse Ausgestaltung des Durchlassbereichs ermöglicht dabei eine vorteilhaft gleichmäßige Durchströmung des Durchlassbereichs. Hierdurch wird der in der Reaktantzuführung enthaltene bzw. der durch diese zugeführte Reaktant besonders gleichmäßig in den Innenraum des Mantels eingeleitet. Ein entsprechend porös ausgestalteter Durchlassbereich ist ferner besonders einfach herstellbar. Reagiert der so eingeleitete Reaktant dann innerhalb des Innenraums des Mantels bzw. im Bereich der elektrochemischen Zelle mit einem weiteren Reaktant, so kann dies besonders gleichmäßig erfolgen, was für den Wirkungsgrad der Reaktion vorteilhaft ist.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Elektrolytbereich in einem mittleren Bereich der elektrochemischen Zelle vorgesehen ist, und/oder dass der Durchlassbereich in einem mittleren Bereich der Reaktantzuführung vorgesehen ist. Sind die elektrochemische Zelle und die Reaktantzuführung dabei als Fluidleitungen ausgeführt oder umfassen sie Fluidleitungen, so kann mit dem mittleren Bereich ein in axialer Richtung der Fluidleitungen mittig gelegene Bereich gemeint sein. Verlaufen die Fluidleitungen dabei gerade durch einen zylindrisch geformten Mantel, so können der Elektrolytbereich und/oder der Durchlassbereich entsprechend im axial mittleren Bereich des Mantels vorgesehen sein. Durch die mittige Anordnung der entsprechenden Bereiche kann eine größtmögliche Kühlung dieser Bereiche bewirkt werden, wodurch Reaktionen, welche auf eine Kühlung angewiesen sind, besonders effizient erfolgen können. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die größte Wärmeentwicklung beim Ablaufen der entsprechenden Reaktion im Elektrolytbereich auftritt. Läge dieser Bereich nicht im mittleren Bereich des Mantels sondern im Bereich von beispielsweise dessen Deckfläche oder Grundfläche, so könnte aufgrund des dort erschwerten Wärmetauschs keine optimale Kühlung gewährleistet werden. Gleiche Argumente bezüglich des Wärmeübertrags gelten entsprechend für das Aufheizen des Reaktors während dessen Aufheizphase.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass der Elektrolytbereich und/oder der Durchlassbereich an einem Mantelbereich der Fluidleitungen vorgesehen sind, oder dass der Elektrolytbereich und/oder der Durchlassbereich einen Mantelbereich der Fluidleitungen bilden, und/oder dass der Elektrolytbereich eine lonen-Austausch-Membran umfasst und/oder dass der Durchlassbereich durchlässig für mittels Reaktantzuführung zugeführte Reaktanten ist. Hierdurch wird der Mantelbereich der Fluidleitungen bzw. ein Teil davon zu einem Bereich, durch den ein Stoffdurchsatz bzw. -transport zwischen den Innenseiten der Fluidleitungen und deren Außenseiten ermöglicht wird. Der entsprechend geformte Elektrolytbereich bzw. Durchlassbereich ermöglicht damit sowohl einen Stofftransport durch den jeweiligen Bereich hindurch als auch in axialer Richtung der entsprechenden Fluidleitung. Dabei kann der Elektrolytbereich bzw. der Durchlassbereich nicht planar sondern entsprechend der Form der Fluidleitung ausgebildet sein.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die elektrochemische Zelle und die Reaktantzuführung getrennt voneinander unterschiedliche Reaktanten dem Modulreaktor zuführen, und/oder dass die elektrochemische Zelle eine Reduktionsmittelzuleitung des Modulreaktors und die Reaktantzuführung eine Oxidationsmittelzuleitung des Modulreaktors ist oder umgekehrt. Die Reaktion der Reaktanten miteinander kann so gezielt in einem bestimmten Bereich des Mantels bzw. in bestimmten Bereichen der elektrochemischen Zelle durchgeführt werden.
Bei dem Reduktionsmittel kann es sich um einen Brennstoff wie Wasserstoff oder eine wasserstoffhaltige Verbindung oder ein Gemisch handeln und bei dem Oxidationsmittel kann es sich um Sauerstoff bzw. Luftsauerstoff oder eine sauerstoffhaltige Verbindung oder ein Gemisch handeln. Somit kann der Modulreaktor als galvanische Zelle zur Spannungserzeugung genutzt werden. Wird umgekehrt eine elektrische Spannung an die elektrochemische Zelle angelegt, kann der Modulreaktor unter Auswahl entsprechender Reaktanten zur Elektrolyse genutzt werden.
Eine Ausführung des Modulreaktors mit Brennstoffzuleitung und Sauerstoffzuleitung sowie mit Protonen-Austausch-Membranen kann sich dabei auf eine PEM-Brennstoffzelle beziehen. Die hohlkörperförmigen elektrochemischen Zellen einer derartigen PEM-Brennstoffzelle können dabei eine Membran bzw. einen Elektrolyt aufweisen, der in einem Tauchbeschichtungsverfahren in Kombination mit einem Sol-Gel-Prozess hergestellt wird und aus einem Polymer besteht. Im Unterschied zu PEM-Brennstoffzellen arbeiten bekannte Festoxid- Brennstoffzellen (SOFC) bei Betriebstemperaturen von etwa 800°C bzw. bei Temperaturen von über 400°C. Die vorliegend verwendbaren Protonen-Austausch- Membranen arbeiten bei Temperaturen von weniger als 400°C, insbesondere von weniger als 300°C. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen arbeiten die vorliegend verwendbaren Protonen-Austausch-Membranen bei Temperaturen von 120 - 250°C und besonders bevorzugt im Bereich von 120 - 160°C.
Denkbar sind jedoch genauso Ausführungen, in welchen das Prinzip des vorliegenden Modulreaktors zur Durchführung anderer chemischer Reaktionen genutzt wird.
Die Erfindung richtet sich ferner auf ein Verfahren zur Durchführung einer Elektrolyse oder Elektrosynthese oder auch zur Erzeugung eines elektrischen Stromflusses mittels eines elektrochemischen Modulreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie auf ein Elektrolyseprodukt oder Elektrosyntheseprodukt, welches mittels eines elektrochemischen Modulreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 : elektrochemischer Modulreaktor in perspektivischer Schnittansicht;
Figur 2: elektrochemischer Modulreaktor in Schnittansicht mit komplexer
Wärmetauschergeometrie;
Figur 3: Aufbau einer elektrochemischen Zelle; und Figur 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Modulreaktors in perspektivischer Schnittansicht.
Figur 1 zeigt einen elektrochemischen Modulreaktor 100 bzw. Reaktor 100 mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Zellen 1 , Reaktantzuführungen 2 und einem Wärmeübertrager 3, wobei die Bauteile 1 , 2, 3 innerhalb des Mantels 4 angeordnet sind und parallel zur Längsachse des zylinderförmigen Mantels 4 ausgerichtet sind. Dabei weisen die elektrochemischen Zellen 1 je einen Elektrolytbereich 11 und die Reaktantzuführungen 2 je einen Durchlassbereich 21 auf. Durch den Elektrolytbereich 11 und den Durchlassbereich 21 können Reaktanten in den Innenraum 41 des Mantels 4 oder umgekehrt bzw. auch aus dem Innenraum 41 in das Innere der elektrochemischen Zellen 1 strömen.
Die elektrochemischen Zellen 1 , die Reaktantzuführungen 2 und der Wärmeübertrager 3 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als Rohrleitungen bzw. Fluidleitungen ausgebildet. Die Fluidleitungen verlaufen dabei parallel zueinander. Denkbar ist aber auch eine Anordnung, in der die Fluidleitungen angewinkelt zueinander angeordnet sind. Die Fluidleitungen sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als Durchflussleitungen ausgebildet, welche innerhalb des Innenraums 41 des Mantels 4 angeordnet sind. Der Mantel 4 selbst kann dabei im Wesentlichen zylinderförmig bzw. hohizylinderförmig ausgebildet sein. Figur 1 zeigt das perspektivische Schnittbild eines Modulreaktors 100 mit entsprechend hohizylinderförmig ausgebildetem Mantel 4. Die Fluidleitungen verlaufen dabei im Wesentlichen in axialer Richtung innerhalb des Mantels 4 zwischen einer Deckfläche 42 und einer Grundfläche 43 des Mantels 4.
In den Reaktantzuführungen 2 ist ein poröser Bereich gezeigt, der dem Durchlassbereich 21 entsprechen kann. Wird durch die Reaktantzuführungen 2 beispielsweise Sauerstoff in den Modulreaktor 100 eingeleitet, so kann dieser durch den porösen Bereich aus den Reaktantzuführungen 2 und in den Innenraum 41 des Mantels 4 eintreten. Der Durchlassbereich 21 kann aber auch als nichtporöser Bereich ausgebildet sein, bei dem beispielsweise entsprechende Durchlässe statt Poren für den Stofftransport vorgesehen sind. Der Sauerstoff oder ein sonstiger Reaktant kann dabei von der Reaktantzuführung 2 aus im Wesentlichen radial und axial nach außen in Richtung auf die Außenwände des Mantels 4 strömen. Wie Figur 1 zu entnehmen ist, können die Elektrolytbereiche 11 und die Durchlassbereiche 21 in mittleren Bereichen der elektrochemischen Zellen 1 bzw. der Reaktantzuführungen 2 vorgesehen sein. Damit können sie axial in einer mittleren Position des Mantels 4 angeordnet sein. Sie können dabei so zentral angeordnet sein, dass zur Deckfläche 42 und Grundfläche 43 des Zylinders des Mantels 4 ein möglichst großer Abstand besteht. Die Elektrolytbereiche 11 und die Durchlassbereiche 11 können sich auch entlang der gesamten innerhalb des Mantels 4 liegenden Länge der elektrochemischen Zelle 1 und Reaktantzuführung 2 oder auf Teilen dieser Länger erstrecken.
Ferner zeigt Figur 1 , dass Elektrolytbereich 11 und Durchlassbereich 21 an Mantelbereichen der Fluidleitungen der elektrochemischen Zellen 1 und der Reaktantzuführungen 2 vorgesehen sind. Die derart ausgeführten Mantelbereiche der Fluidleitungen können somit die darin geführten Reaktanten sowohl axial innerhalb der Fluidleitungen führen als auch in radialer Richtung aus den Fluidleitungen austreten lassen.
Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Modulreaktors 100 sowohl als Brennstoffzelle als auch als Elektrolyse- oder Elektrosynthesereaktor können die elektrochemischen Zellen 1 und die Reaktantzuführungen 2 unterschiedliche Reaktanten getrennt voneinander in den Modulreaktor 100 einführen bzw. aus dem Modulreaktor 100 ableiten. Bei den Reaktanten kann es sich im Falle der Brennstoffzelle beispielsweise um einen wasserstoffenthaltenden Brennstoff und um ein Sauerstoff enthaltendes Gas oder um reinen Sauerstoff oder Wasserstoff handeln.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Modulreaktors 100, bei dem der Wärmeübertrager 3 nicht als zylindrisches Rohr bzw. zylindrische Fluidleitung ausgeführt ist, sondern eine komplexe Geometrie aufweist. Hierbei kann der Wärmeübertrager 3 so ausgeformt sein, dass er die elektrochemischen Zellen 1 und/oder die Reaktantzuführungen 2 oder einen Teil davon zumindest teilweise oder größtenteils umgibt. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist der Wärmeübertrager 3 revolvertrommelartig aufgebaut und weist entsprechend in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Durchführungen 31 auf, in welchen die elektrochemischen Zellen 1 geführt sein können. Der Wärmeübertrager 3 kann dabei rotationssymmetrisch ausgebildet sein oder rotationssymmetrische Abschnitte aufweisen.
Durch den Zwischenraum, welcher sich zwischen der Wandung der Durchführungen 31 und den sich innerhalb der Durchführung 31 erstreckenden Reaktantzuführungen 2 und/oder der elektrochemischen Zellen 1 bzw. der entsprechenden Durchflussleitung der elektrochemischen Zellen 1 erstreckt, kann ein anderer Reaktant wie beispielsweise Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft geleitet werden. Der Klarheit halber sind nicht in allen Durchführungen 31 elektrochemische Zellen 1 bzw. Reaktantzuführungen 2 gezeigt. Der Wärmeübertrager 3 kann in voneinander radial beabstandete Untermodule 32, 33 unterteilt sein, welche besagte in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Durchführungen 31 aufweisen. Die Durchführungen 31 können radial und in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten elektrochemischen Zellen 1 und/oder Reaktantzuführungen 2 zugeordnet sein bzw. diese aufnehmen. Die unterschiedlichen Untermodule 32, 33 können dabei unterschiedliche Wärmeübertragerfluidströme enthalten. Somit kann eine Kühl- bzw. Heizleistung in Abhängigkeit von der radialen Position der elektrochemischen Zellen 1 eingestellt werden. Radial weiter außen liegende elektrochemische Zellen 1 , welche beispielsweise eine vergrößerte Kühlleistung benötigen, können beispielsweise mittels erhöhter Wärmeübertragerfluidraten gekühlt werden. Die Unterteilung des Wärmeübertragers 3 in Untermodule 32, 33 kann auch dahingehend verfeinert werden, dass einer einzelnen elektrochemischen Zelle 1 oder einigen elektrochemischen Zellen 1 jeweils ein Untermodul mit eigenem Wärmeübertragerfluidstrom des Wärmeübertragers 3 oder eines Untermoduls 32, 33 des Wärmeübertragers 3 zugeordnet ist. Innerhalb der Durchführungen 31 der Untermodule 32, 33 können die elektrochemischen Zellen 1 wie geschildert angeordnet sein. Durch den Zwischenraum, welcher sich zwischen der Wandung der Durchführungen 31 und den sich innerhalb der Durchführung 31 erstreckenden elektrochemischen Zellen 1 befindet, können Reaktanten in axialer und/oder radialer Richtung bezogen auf den Mantel 4 geführt werden.
Figur 3 zeigt den Aufbau einer anodengeträgerten elektrochemischen Zelle 1 , welche in der Erfindung alternativ oder zusätzlich zu einer kathodengeträgerten elektrochemischen Zelle 1 verwendet werden kann. Die elektrochemische Zelle 1 ist dabei nicht planar sondern hohlzylinderförmig ausgebildet. Denkbar sind jedoch allgemein hohlkörperförmige Ausgestaltungen. Sie umfasst radial innen eine Trägerelektrode 12 und radial außen eine Mantelelektrode 13. Zwischen Trägerelektrode 12 und Mantelelektrode 13 sind von einer Membran 14 getrennte Katalysatorenschichten der Anode 15 und der Kathode 16 vorgesehen. Eine derartige hohlzylinderförmig ausgestaltete elektrochemische Zelle 1 ist dazu geeignet, zusammen mit Wärmeübertrager 3 und Reaktantzuführungen 2, welche ebenfalls hohlzylinderförmig ausgestaltet sein können, innerhalb des Mantels 4 eines Modulreaktors 100 angeordnet zu werden.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Modulreaktors 100 in perspektivischer Schnittansicht mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Zellen 1 und Wärmeübertragern 3, wobei die Bauteile 1 und 3 innerhalb des Mantels 4 angeordnet sind. Die Reaktantzuführung 2 umfasst im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 keine eigens innerhalb des Mantels 4 angeordneten Fluidleitungen sondern sie umfasst Durchlässe, welche ein Zuführen des oder der Reaktanten in den Innenraum 41 des Mantels 4 und ein Abführen überschüssiger Reaktanten und/oder Reaktionsprodukte aus dem Innenraum 41 des Mantels 4 ermöglichen.
Die elektrochemischen Zellen 1 und die Wärmeübertrager 3 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als Rohrleitungen bzw. Fluidleitungen ausgebildet. Die Fluidleitungen verlaufen wie im Beispiel der Figur 1 parallel zueinander, können aber auch stattdessen angewinkelt zueinander angeordnet sein. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 wird der Reaktant nicht innerhalb von Fluidleitungen im Innenraum 41 des Mantels 4 geführt, sondern über die Zylindermantelfläche des Mantels 1 in den Innenraum 41 eingeführt. Denkbar ist ein Einführen der Reaktanten aber auch an jeder anderen beliebigen Stelle des Mantels 4. Innerhalb des Mantels 4 kann der Reaktant bzw. können die Reaktanten mit weiteren, über die elektrochemischen Zellen 1 eingeführten Reaktanten reagieren. Die Wärmeübertrager 3 können so angeordnet sein, dass sie einen für die entsprechende Reaktion möglichst vorteilhaften Wärmetransfer zwischen dem Innenraum 41 des Mantels 4 und einem externen Kühlkörper und/oder einer externen Wärmequelle ermöglichen.
Der Mantel 4 selbst kann dabei im Wesentlichen zylinderförmig bzw. hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Figur 1 zeigt das perspektivische Schnittbild eines Modulreaktors 100 mit entsprechend hohlzylinderförmig ausgebildetem Mantel 4. Die Fluidleitungen verlaufen dabei im Wesentlichen in axialer Richtung innerhalb des Mantels 4 zwischen einer Deckfläche 42 und einer Grundfläche 43 des Mantels 4.

Claims

Patentansprüche
Elektrochemischer Modulreaktor mit wenigstens einer hohlkörperförmigen elektrochemischen Zelle, wenigstens einer Reaktantzuführung und wenigstens einem Wärmeübertrager, wobei die elektrochemische Zelle und der Wärmeübertrager wenigstens teilweise innerhalb eines Mantels angeordnet sind.
Elektrochemischer Modulreaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle und/oder die Reaktantzuführung und/oder der Wärmeübertrager jeweils eine oder mehrere Fluidleitungen umfassen oder als Fluidleitungen ausgebildet sind, und/oder dass die elektrochemische Zelle einen Elektrolytbereich umfasst, und/oder dass die Reaktantzuführung wenigstens teilweise innerhalb des Mantels angeordnet ist, und/oder dass der Wärmeübertrager als Wärmeübertrager mit Fluidkreis- lauf, insbesondere als Thermosiphon und/oder als Wärmerohr ausgebildet ist, und/oder als Thermoelement ausgebildet ist.
3. Elektrochemischer Modulreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitungen parallel zueinander verlaufen und/oder dass die Fluidleitungen der elektrochemischen Zelle wenigstens teilweise innerhalb der Fluidleitungen des Wärmeübertragers verlaufen oder umgekehrt.
4. Elektrochemischer Modulreaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitungen wenigstens teilweise als Durchflussleitungen innerhalb eines Innenraums des Mantels ausgebildet sind, wobei die Durchflussleitungen je an einer Stellen in den Innenraum des Mantels hineinführen und an einer anderen Stelle aus dem Innenraum des Mantels hinausführen.
5. Elektrochemischer Modulreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktantzuführung einen porösen Durchlassbereich umfasst.
6. Elektrochemischer Modulreaktor wenigstens nach einem der Ansprüche 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytbereich in einem mittleren Bereich der elektrochemischen Zelle vorgesehen ist, und/oder dass der Durchlassbereich in einem mittleren Bereich der Reaktantzuführung vorgesehen ist.
7. Elektrochemischer Modulreaktor wenigstens nach einem der Ansprüche 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytbereich und/oder der Durchlassbereich an einem Mantelbereich der Fluidleitungen vorgesehen sind, oder dass der Elektrolytbereich und/oder der Durchlassbereich einen Mantelbereich der Fluidleitungen bilden, und/oder dass der Elektrolytbereich eine lonen-Austausch-Membran umfasst und/oder dass der Durchlassbereich durchlässig für mittels Reaktantzuführung zugeführte Reaktan- ten ist.
8. Elektrochemischer Modulreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle und die Reaktantzuführung getrennt voneinander unterschiedliche Reaktanten dem Modulreaktor zuführen, und/oder dass die elektrochemische Zelle eine Reduktionsmittelzuleitung des Modulreaktors und die Reaktantzuführung eine Oxidationsmittelzuleitung des Modulreaktors ist oder umgekehrt.
9. Verfahren zur Durchführung einer Elektrolyse oder Elektrosynthese oder zur Erzeugung eines elektrischen Stromflusses mittels eines elektrochemischen Modulreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Elektrolyseprodukt oder Elektrosyntheseprodukt, welches mittels eines elektrochemischen Modulreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
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