DE10030938B4 - Reactor unit of a fuel cell system for CO conversion - Google Patents
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Abstract
Reaktoreinheit einer Brennstoffzellenanlage, in der eine Umformung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid in einem kohlenmonoxidhaltigen Medium (2) vorgesehen ist und in der eine Sauerstoffzufuhr in das Medium (2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine wenigstens sauerstoffdurchlässige Reaktorwand (3) vorgesehen ist, die eine oberflächenvergrößernde Struktur aufweist, wobei die Reaktorwand als rohrförmige Membran mit einem oberflächenvergrößernden Querschnitt oder als wabenähnliche Membranstruktur ausgebildet ist.reactor unit a fuel cell plant in which a transformation of carbon monoxide to carbon dioxide in a carbon monoxide-containing medium (2) provided and in which an oxygen supply into the medium (2) takes place, characterized in that an at least oxygen-permeable reactor wall (3) is provided, which has a surface-enlarging structure, wherein the reactor wall as a tubular Membrane with a surface enlarging Cross-section or as honeycomb-like Membrane structure is formed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Reaktoreinheit einer Brennstoffzellenanlage, in der eine Umformung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid in einem kohlenmonoxidhaltigen Medium vorgesehen ist.The The invention relates to a reactor unit of a fuel cell system, in a transformation of carbon monoxide to carbon dioxide in one carbon monoxide-containing medium is provided.
Stand der TechnikState of the art
Besonders im Zusammenhang mit künftigen Antriebskonzepten von Fahrzeugen gewinnt die Brennstoffzellentechnologie immer mehr an Bedeutung. Brennstoffzellen bieten die Möglichkeit, chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln, die anschließend mit Hilfe eines Elektromotors in mechanische Antriebsenergie überführt werden kann. Im Gegensatz zu Wärmekraftmaschinen ist der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle nicht durch den Carnot'schen Wirkungsgrad begrenzt. Derzeit bevorzugte Brennstoffzellen verbrauchen Wasserstoff und Sauerstoff und setzen diese Elemente in das umweltfreundliche Endprodukt Wasser um.Especially in connection with future drive concepts of vehicles fuel cell technology is gaining more and more in importance. Fuel cells offer the possibility of being chemically bound Convert energy directly into electrical energy, which can then be combined with Help of an electric motor can be converted into mechanical drive energy can. Unlike heat engines the efficiency of a fuel cell is not due to the Carnot's efficiency limited. Currently preferred fuel cells consume hydrogen and oxygen and put these elements in the environmentally friendly End product water around.
Aufgrund der technischen Probleme bei der Wasserstoffspeicherung in Fahrzeugen ist man dazu übergegangen, den Wasserstoff bei Bedarf durch eine sogenannte Reformierung oder partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu erzeugen. Derartige Kohlenwasserstoffe liegen in Form herkömmlicher Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel vor, es könnten jedoch auch andere Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan oder Methanol, hierzu verwendet werden.by virtue of the technical problems of hydrogen storage in vehicles did you go over to that the hydrogen if necessary by a so-called reforming or to produce partial oxidation of hydrocarbons. Such hydrocarbons are in the form of conventional fuels like gasoline or diesel before, it could but also other hydrocarbons, such as methane or Methanol, used for this purpose.
In herkömmlichen Brennstoffzellenanlagen werden häufig sogenannte PEM-Brennstoffzellen verwendet, die jedoch auf Kohlenmonoxidanteile im wasserstoffreichen Medium mit "Vergiftungserscheinungen" der katalytischen Kathode reagieren, so dass die Umsetzung von Wasserstoff an der Elektrode erschwert bzw. verhindert wird. Aus diesem Grund müssen entsprechende Brennstoffzellenanlagen die Produktion eines weitestgehend kohlenmonoxidfreien, wasserstoffreichen Mediums gewährleisten.In usual Fuel cell systems become common so-called PEM fuel cells, however, based on carbon monoxide in the hydrogen-rich medium with "poisoning phenomena" of the catalytic Cathode react, so that the implementation of hydrogen at the Electrode difficult or prevented. For this reason must be appropriate Fuel cell plants the production of a largely carbon monoxide-free, ensure hydrogen-rich medium.
So wird bereits der Kohlenmonoxidanteil im wasserstoffreichen Reformat mit Hilfe von Reaktoren nahezu vollständig reduziert. In einem ersten Schritt wird hierbei meist dem Reformer eine Reaktoreinheit nachgeschaltet, die mittels einer sogenannten "Shift-Reaktion" das aus der Umformung des Kraftstoffs resultierende Kohlenmonoxid unter Zusatz von Wasser zu CO2 aufoxidiert, wobei wiederum Wasserstoff freigesetzt wird. Hierbei bleiben jedoch Restmengen an Kohlenmonoxid im Reformgas in einer Konzentration enthalten, die immer noch zu einer nicht tolerierbaren Vergiftung der Brennstoffzelle führt.Thus, the carbon monoxide content in the hydrogen-rich reformate is almost completely reduced by means of reactors. In a first step, in this case, the reformer is usually followed by a reactor unit which oxidizes the carbon monoxide resulting from the transformation of the fuel to CO 2 by means of a so-called "shift reaction", hydrogen again being liberated. In this case, however, residual amounts of carbon monoxide in the reforming gas remain in a concentration which still leads to an intolerable poisoning of the fuel cell.
Zur Umformung der noch vorhandenen Kohlenmonoxidrestmengen werden Reaktoreinheiten verwendet, die bislang mittels katalytischer Oxidation des Kohlenmonoxids unter Zugabe von Sauerstoff an einem geeigneten Oxidationskatalysator die Kohlenmonoxidrestmengen nahezu vollständig reduzieren. Um den Kohlenmonoxidanteil auf Werte < 50 ppm zu reduzieren, werden vorzugsweise mehrstufige Kohlenmonoxidoxidationseinheiten eingesetzt, wobei zu jeder Stufe beispielsweise separat Sauerstoff zugeführt wird. Der Sauerstoff wird hierbei in Form von Luftsauerstoff zudosiert. Hierfür werden aufwändige Dosiervorrichtungen eingesetzt.to Reshaping of remaining carbon monoxide residual amounts are used reactor units, the previously by catalytic oxidation of carbon monoxide under Addition of oxygen to a suitable oxidation catalyst almost completely reduce the amount of carbon monoxide. To the carbon monoxide component to values <50 ppm are preferably multi-stage carbon monoxide oxidation units used, for each stage, for example, separately oxygen supplied becomes. The oxygen is added here in the form of atmospheric oxygen. Therefor become expensive metering devices used.
Die Explosionsgrenze von Wasserstoff liegt bei einem Sauerstoffgehalt von etwa 4 %, sodass die Zugabe von (Luft-)Sauerstoff jedoch äußerst kritisch und gefährlich ist. Aus diesem Grund wird häufig der Sauerstoff mit einem Anteil von etwa 2 % dem Reformgas zugesetzt. Hierbei muss mittels entsprechend aufwändiger Ausgestaltung der Reaktoreinheit, einschließlich der aufwändigen Dosiervorrichtungen, darauf geachtet werden, dass selbst lokal die erwähnte kritische Explosionsgrenze von Sauerstoff in der Reaktoreinheit nicht überschritten wird.The Explosion limit of hydrogen is at an oxygen content of about 4%, so that the addition of (air) oxygen, however, extremely critical and dangerous is. Because of this, being common the oxygen in a proportion of about 2% added to the reforming gas. In this case, by means of an appropriately complex design of the reactor unit, including the elaborate one Dosing devices, take care that even locally the mentioned critical Explosion limit of oxygen in the reactor unit not exceeded becomes.
Bislang wird anstelle des Luftsauerstoffs auch Wasserstoffperoxid verwendet. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass einerseits die zuvor beschriebene kritische Explosionsgrenze von Sauerstoff im wasserstoffreichen Medium nicht überschritten werden darf. Andererseits muss Wasserstoffperoxid in einem separaten Nachfülltank mitgeführt werden. Hierdurch wird der Aufwand beim Einsatz von Wasserstoffperoxid durch das zusätzliche Betanken entsprechend erhöht, wobei besonders nachteilig ist, dass es sich bei Wasserstoffperoxid um eine gefährliche Chemikalie handelt.So far Hydrogen peroxide is also used instead of atmospheric oxygen. However, it is disadvantageous that on the one hand the previously described critical explosive limit of oxygen in hydrogen-rich Medium not exceeded may be. On the other hand, hydrogen peroxide must be in a separate refill carried become. As a result, the effort in the use of hydrogen peroxide through the additional Refueling increased accordingly, wherein it is particularly disadvantageous that it is hydrogen peroxide a dangerous one Chemical is.
Aus
der
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Reaktoreinheit einer Brennstoffzellenanlage, die im Wesentlichen eine Umformung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid eines kohlenmonoxidhaltigen Mediums vorsieht, vorzuschlagen, mit der die Zuführung des Sauerstoffs explosionssicher erfolgt, die keinen Nachfüllbehälter für gefährliche Chemikalien benötigt und gleichzeitig den Aufwand deutlich reduziert.The object of the invention is in contrast, a reactor unit of a fuel cell system, the essentially provides a transformation of carbon monoxide to carbon dioxide of a carbon monoxide-containing medium, to propose, with which the supply of oxygen is explosion-proof, which does not require a refill container for hazardous chemicals and at the same time significantly reduces the cost.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Reaktoreinheit der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.These Task is starting from a reactor unit mentioned in the introduction Art solved by the characterizing features of claim 1.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.By in the subclaims mentioned measures are advantageous embodiments and further developments of the invention possible.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Reaktoreinheit dadurch aus, dass eine wenigstens sauerstoffdurchlässige, insbesondere sauerstoffionendurchlässige, Reaktorwand vorgesehen ist.Accordingly a reactor unit according to the invention is characterized characterized in that an at least oxygen-permeable, in particular oxygen ion-permeable, Reactor wall is provided.
Mit Hilfe einer derartigen Reaktorwand ist eine exakt dosierbare Zudotierung des Sauerstoffs in das Medium gewährleistet. So wird der Sauerstoff gleichmäßig über die Wandfläche verteilt und großflächig dem Medium zugeführt, so dass ein hoher und schneller Umsatz von CO in CO2 möglich ist, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Sauerstoffgehalt auch nicht lokal begrenzt die kritische Explosionsgrenze erreicht.With the help of such a reactor wall a precisely metered Zudotierung the oxygen is ensured in the medium. Thus, the oxygen is evenly distributed over the wall surface and supplied to the medium over a large area, so that a high and fast conversion of CO into CO 2 is possible without the risk that the oxygen content does not reach the critical explosion limit even locally.
Weiterhin ist durch die Verwendung von Luftsauerstoff ein Nachfüllbehälter mit einer gefährlichen Chemikalie entbehrlich.Farther is by the use of atmospheric oxygen a refill container with a dangerous one Chemical dispensable.
In vorteilhafter Weise ist die Reaktorwand wasserstoffundurchlässig, so dass der für die Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff nicht aus der Reaktoreinheit entweicht. Hierdurch wird ein Brennstoffverlust vermieden und die Sicherheit der Anlage erhöht.In Advantageously, the reactor wall is impermeable to hydrogen, so that for the fuel cell needed Hydrogen does not escape from the reactor unit. This will avoiding fuel loss and increasing the safety of the system.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Reaktorwand selektiv sauerstoffdurchlässig. Hierdurch wird von den Luftbestandteilen ausschließlich Sauerstoff zugeführt, wodurch die Umformung des Mediums mit dem zugeführten Sauerstoff in vorteilhafter Weise besser steuerbar wird. Insbesondere sind etwaige unerwünschte Nebenreaktionen mit weiteren Luftbestandteilen dadurch vermeidbar. Die Explosionssicherheit der Sauerstoffzuführung wird hierbei auch weiter erhöht.In a particular embodiment According to the invention, the reactor wall is selectively permeable to oxygen. hereby is supplied by the air components exclusively oxygen, which the transformation of the medium with the supplied oxygen in an advantageous Way becomes more controllable. In particular, there are any unwanted side reactions avoidable with other air components. The explosion safety the oxygen supply will be increased further.
Weiterhin umfasst die Reaktorwand wenigstens eine Membran. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine selektiv sauerstoffdurchlässige Reaktorwand umsetzbar. Derzeitige Membranen sind im Allgemeinen sauerstoffionendurchlässig ausgebildet. Beispielsweise wird auch ermöglicht, dass die Sauerstoffzuführung nahezu auf der gesamten Reaktorwand realisierbar ist. So ist eine vergleichsweise kompakte Reaktoreinheit umsetzbar.Farther the reactor wall comprises at least one membrane. This will advantageously a selectively oxygen-permeable reactor wall implemented. Current membranes are generally oxygen permeable. For example is also possible that the oxygen supply can be realized almost on the entire reactor wall. That's one comparatively compact reactor unit can be implemented.
Vorzugsweise besteht die Membran im Wesentlichen aus einem keramischen Werkstoff, so dass eine vergleichsweise robuste und insbesondere temperaturunempfindliche und formstabile Reaktorwand einsetzbar ist. Jedoch können auch Polymermembranen, Polymermembranen mit metallischer Beschichtung oder sonstige Membranen verwendet werden, die insbesondere die Sauerstoffdurchlässigkeit sowie die Wasserstoffundurchlässigkeit gewährleisten.Preferably the membrane consists essentially of a ceramic material, so that a comparatively robust and especially temperature insensitive and dimensionally stable reactor wall can be used. However, too Polymer membranes, polymer membranes with metallic coating or other membranes, in particular the oxygen permeability and the hydrogen impermeability guarantee.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine rohrförmige Membran vorgesehen. Hierdurch ist eine besonders kompakte Reaktoreinheit zu verwirklichen, die zudem gute Strömungseigenschaften aufweist.In an embodiment The invention provides at least one tubular membrane. hereby is a particularly compact reactor unit to realize the also good flow properties having.
Die Umformungsreaktion erfolgt bezogen auf das Volumen der Reaktoreinheit vorzugsweise heterogen an der Reaktorwand, so dass eine möglichst große Oberfläche der Reaktorwand bei einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit anzustreben ist.The Transformation reaction takes place based on the volume of the reactor unit preferably heterogeneous on the reactor wall, so that the largest possible surface of To aim for reactor wall in a reactor unit according to the invention is.
Die Reaktorwand weist eine Oberflächen vergrößernde Struktur auf. Hierfür sind alle denkbaren Strukturen bzw. Anordnungen von erfindungsgemäßen Reaktorwänden vorstellbar. In vorteilhafter Weise wird hierdurch eine in den äußeren Abmessungen besonders kompakte Reaktoreinheit möglich, die zugleich aufgrund der großflächigen sauerstoffdurchlässigen Wand sehr effizient arbeitet.The Reactor wall has a surface enlarging structure on. Therefor All conceivable structures or arrangements of reactor walls according to the invention are conceivable. Advantageously, this is one in the outer dimensions particularly compact reactor unit possible at the same time due the large-area oxygen-permeable wall works very efficiently.
Beispielsweise können mehrere, insbesondere rohrförmige Membranen parallel verschaltet und/oder rohrförmige Membranen mit sternförmigen oder anderen Oberflächen vergrößernden Querschnitten, Membrangebilde mit wabenähnlichen Strukturen und/oder dergleichen verwendet werden.For example can several, in particular tubular Membranes connected in parallel and / or tubular membranes with star-shaped or other surfaces magnifying Cross sections, membrane structures with honeycomb-like structures and / or the like can be used.
Vorteilhafterweise ist eine Steuerung des durch die Reaktorwand durchzuführenden Sauerstoffvolumenstromes vorgesehen, so dass die Umformung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid besonders bei Betriebsschwankungen einer entsprechenden Anlage an diese anpassbar ist. Insbesondere bei Fahrzeuganwendungen ist eine erhebliche Lastspreizung der Brennstoffzellenanlage zu gewährleisten, das bedeutet, dass diese große Unterschiede des Wasserstoffvolumenstroms verarbeiten muss. Dementsprechend unterliegt auch der zur Reinigung des wasserstoffreichen Mediums vorgesehne Sauerstoffvolumenstrom einer erheblichen Lastspreizung. Ein dynamisches Verhalten zur Erzeugung großer Schwankungen im Volumenstrom dieser Medien wird mittels der Steuerung innerhalb kurzer Zeit ermöglicht.Advantageously, a control of the oxygen volume flow to be carried out through the reactor wall is provided, so that the conversion of carbon monoxide to carbon dioxide can be adapted to it, especially in the case of operating fluctuations of a corresponding system. In particular, in vehicle applications, a significant load spread of the fuel cell system is to ensure that means that it has to process large differences in the hydrogen flow rate. Accordingly, the intended for purifying the hydrogen-rich medium oxygen flow is subject to a considerable load spread. A dynamic behavior for generating large fluctuations in the flow of these media is made possible by means of the controller within a short time light.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist eine temperatur- und/oder druckabhängige Steuerung vorgesehen. Die Sauerstoffzuführung vorzugsweise durch die oben erwähnten Membranen ist besonders vom O2-Partialdruckunterschied beispielsweise zwischen dem Medium und der Umgebungsluft abhängig. So wird u.a. durch Änderung des Umgebungsluftdrucks die Sauerstoffzuführung steuerbar.In a particular embodiment of the invention, a temperature and / or pressure-dependent control is provided. The oxygen supply preferably through the above-mentioned membranes is particularly dependent on the O 2 partial pressure difference, for example between the medium and the ambient air. For example, by changing the ambient air pressure, the oxygen supply is controllable.
Des Weiteren ist die Sauerstoffzufuhr vorzugsweise durch die oben erwähnten Membranen im Allgemeinen stark temperaturabhängig, so dass beispielsweise durch Veränderung der Temperatur der Reaktorwand die Sauerstoffmenge exakt und vergleichsweise dynamisch steuerbar ist. Bei der temperaturabhängigen Steuerung ist hierbei vorteilhaft, dass das kohlenmonoxidhaltige Medium zugleich wasserstoffreich ist, wobei Wasserstoff eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit besitzt, so dass die Wärme der Reaktorwand sehr gut an das Medium abgegeben wird und somit die Reaktorwand vergleichsweise schnell abgekühlt wird. Aufgrund der relativ kleinen Ausmaße ist die erfindungsgemäße Reaktorwand vergleichsweise schnell aufheizbar.Of Further, the oxygen supply is preferably through the above-mentioned membranes generally strongly temperature dependent, so for example through change the temperature of the reactor wall, the amount of oxygen exactly and comparatively is dynamically controllable. In the case of the temperature-dependent control is here advantageous that the carbon monoxide-containing medium at the same time rich in hydrogen is, where hydrogen has excellent thermal conductivity, so that the heat of the Reactor wall is discharged very well to the medium and thus the Reactor wall is cooled relatively quickly. Because of the relative small dimensions is the reactor wall according to the invention Heat up comparatively quickly.
Ausführungsbeispielembodiment
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.One embodiment The invention is illustrated in the drawing and is based on the Figures in more detail below explained.
Im Einzelnen zeigenin the Show individual
Als
treibende Kraft für
die Sauerstoffdiffusion durch den Mantel
Diese
Fläche
kann mit mehreren, beispielsweise zehn parallel geschalteten Röhrchen von
ca. 30 cm Länge
und einem Durchmesser von ca. 3 mm realisiert werden. Diese Röhrchen werden
beispielsweise vom Medium
Die vergleichsweise hohe Temperatur von ca. 800° C in dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel kann durch Abwärmenutzung beispielsweise des Reformers erreicht werden. Die häufig verwendeten Benzinreformer, die Benzin zu Wasserstoff reformieren, besitzen eine Arbeitstemperatur von bis zu 1000° C. Durch die Abwärmenutzung lässt sich der Energieaufwand für die Heizung einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit minimieren. Gegebenenfalls kann eine nicht näher dargestellte, vergleichsweise kleine Zusatzheizung die Reaktoreinheit auf Betriebstemperatur von ca. 800° C erwärmen. Beispielsweise ist dies bei Verwendung von Methanolreformern, die eine deutlich geringere Arbeitstemperatur besitzen, notwendig.The comparatively high temperature of about 800 ° C in the aforementioned embodiment can be due to waste heat utilization For example, the reformer can be achieved. The commonly used Gasoline reformers who reform gasoline to hydrogen own a working temperature of up to 1000 ° C. Due to the use of waste heat can the Energy expenditure for the heating of a reactor unit according to the invention minimize. Optionally, a not shown, comparatively small additional heating the reactor unit to operating temperature of about 800 ° C heat. For example, this is when using methanol reformers, the have a significantly lower working temperature, necessary.
Eine erfindungsgemäße Reaktoreinheit kann als eine mit dem Reformer baulich integrierte Einheit oder als separate Einheit an beliebiger Stelle vor der Brennstoffzelle innerhalb der Brennstoffzellenanlage umgesetzt werden. Hierbei ist eine Wärmekopplung mit anderen bereits in der Brennstoffzellenanlage vorhandenen Komponenten vorteilhaft, so dass die vergleichsweise kleine erfindungsgemäße Reaktoreinheit mit sehr wenig oder ohne Zusatzenergie betrieben werden kann.A inventive reactor unit can be considered as a unit structurally integrated with the reformer or as a separate unit at any point in front of the fuel cell be implemented within the fuel cell system. Here is a heat coupling with other components already present in the fuel cell system advantageous, so that the comparatively small reactor unit according to the invention can be operated with very little or no additional energy.
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| DE4334981C2 (en) * | 1993-10-14 | 1998-02-26 | Daimler Benz Ag | Use of a reactor for the catalytic removal of CO in H¶2¶-rich gas |
| WO1999010945A1 (en) * | 1997-08-26 | 1999-03-04 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Producing electrical energy from natural gas using a solid oxide fuel cell |
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2000
- 2000-06-24 DE DE10030938A patent/DE10030938B4/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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