NL1001519C2

NL1001519C2 - Brandstofcellensamenstel met reformeerinrichting.

Info

Publication number: NL1001519C2
Application number: NL1001519A
Authority: NL
Inventors: Gerhard Huppmann
Original assignee: Mtu Friedrichshafen Gmbh
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1998-07-29
Also published as: DE4438555C1; ITMI952092A1; GB2294577A; ITMI952092A0; CA2161564A1; IT1276926B1; CA2161564C; JPH08213041A; US5725964A; NL1001519A1; GB9520134D0; JP4046166B2; GB2294577B

Description

Titel: Brandstofcellensamenstel met reformeerinrichting

De uitvinding heeft betrekking op een brandstofcellensamenstel met in een brandstofcellenblok in de vorm van een stapel aangebrachte brandstofcellen, welk brandstofcellensamenstel telkens aan de anode op een zijde van de brandstof-5 cellenblok een inlaat voor vers brandstofgas en op de daarvan tegenovergelegen zijde een uitlaat voor verbruikt brandstofgas en aan de kathoden op een andere zijde van de brandstofcellenblok een inlaat voor vers kathodegas en op de daartegenover gelegen zijde een uitlaat voor verbruikt kathodegas omvat, en 10 met een door de bij de brandstofcelreactie vrijgekomen warmte verwarmde reformeerinrichting voor het reformeren van het naar de anodeinlaat van de brandstofcellen toe te leiden verse brandstofgas, welke reformeerinrichting een van een katalysator voorzien gebied met een inlaat voor het opnemen van het 15 te reformeren verse brandstofgas en een met de anodeinlaat verbonden uitlaat voor het gereformeerde verse brandstofgas omvat, waarin het reformeerproces plaatsvindt.

Voor de werking van brandstofcellen is meestal een voorafgaande zuivering van koolwaterstofhoudende verbrandings-20 gassen door reformeren vereist, om daardoor het verbrandingsgas met een voor de brandstofcelreactie toegankelijke samenstelling ter beschikking te stellen. Een dergelijk reformeren is in het bijzonder voor het zuiveren van het verbrandingsgas voor hoog-temperatuurbrandstofcellen met alkalicarbonaat-25 smeltelectrolyten (MCFC+Molten Carbonat Fuel Cell) noodzakelijk. Daarbij worden de koolwaterstofaandelen van het verbrandingsgas door het toevoegen van de stoichiometrisch vereiste waterdamphoeveelheid aan een katalysator bij hoge temperatuur in CO, CO2 en H2 omgezet. Voor methaan (aardgas) bijvoorbeeld 30 verloopt de overeenkomstige reactie endotherm volgens het volgende evenwicht: CH4 + H20 <==> CO + 3H2 — 1 9 2

De voor een verloop in richting waterstofvorming vereiste reactieenthalpie wordt door de exotherme reacties van de brandstofcel geleverd. Daardoor worden door middel van het wederkerig invloed nemen beide in de brandstofcel aflopende 5 reactie-evenwichtstoestanden, dat wil zeggen zowel de refor-meerreactie als ook de brandstofcelreactie in de gewenste richting verschoven, waarbij gelijktijdig door verbruik van de bij het endotherme reformeerproces opgenomen warmtehoeveelheid de cel wordt gekoeld en door verbruik van het zich ontwikke-10 lende waterstof door de brandstofcelreactie de vorming van een het reformeerproces storende waterstofconcentratie wordt vermeden.

Volgens de tot nu toe bekende stand der techniek wordt bij brandstofcellen met alkalicarbonaat-smeltelectrolyten 15 (MCFC) en ook bij andere typen brandstofcellen het reformeren van het verbrandingsgas volgens drie verschillende methoden uitgevoerd:

Bij het externe reformeren door middel van een separaat verwarmde reformeerinrichting worden de bovengenoemde voorde-20 len van het wederkerig voordelig invloed nemen van de thermo-dynamische en chemische parameters niet gebruikt, en er bestaat een duidelijk negatieve beïnvloeding van de systeem-efficiëntie.

Bij het direct intern reformeren is het voor het in 25 werking stellen van de reformeerreactie dienende kataly- satormateriaal direct in elke afzonderlijke brandstofcel ingébracht, en het reformeren geschiedt in elke afzonderlijke cel apart. Dit is weliswaar vanuit het thermodynamische standpunt de best mogelijke manier van het reformeren, omdat hier beide 30 reacties, dus de brandstofcelreactie en het reformeerproces in een directe materiaal- en warmteverbinding staan en op deze wijze het wederkerig invloed nemen optimaal is. Anderzijds bestaan echter problemen voor het katalysatormateriaal, omdat dit materiaal gemakkelijk door de electrolyten van de brand-35 stofcel wordt gecontameneerd en zo aan effectiviteit verliest. Een oplossing van dit probleem is op het ogenblik niet in zicht.

1001519 3

Tenslotte zijn bij het indirect, intern reformeren in de brandstofcellenblok op vaste afstanden, bijvoorbeeld na elke vijfde brandstofcel, gescheiden reformeercellen ingevoegd, waarin zich het katalysatormateriaal bevindt. Het reformeer-5 proces vindt dan in deze reformeercellen in warmtecontact met de naburige cellen plaats. Bij deze manier reformeren is de katalysator uitstekend beschermd en bezit daarmee een lange levensduur bij een goed vermogen, zodat deze opstelling in deze zin het best te beoordelen is, echter is de constructie 10 kostbaar en de geleidingen voor de leidingen aan de inlaten van de reformeercellen en tussen de uitlaten van de reformeercellen en de inlaten aan de anoden van de brandstofcellen zijn gecompliceerd en daarmee oneconomisch.

Een brandstofcellensamenstel volgens de stand der 15 techniek met reformeercellen 7' voor een indirect intern reformeren is in figuur 6 weergegeven. De brandstofcellenblok 1' omvat en aantal brandstofcellen 2, die tussen twee compres-sieplaten 12 met daartussen geplaatste eindplaten 13 tot een stapel zijn samengesteld. Op vaste afstanden, namelijk na vijf 20 brandstofcellen is telkens een reformeercel 7' aangebracht, die in warmtecontact met de naburige brandstofcellen 2 staat. Het te reformeren verse brandstofgas wordt dan naar de reformeercellen 71 via een gasverdeler 14 geleid, waarvan telkens leidingen 16 met diëlectrische onderbrekingen 15 naar de inla-25 ten van de reformeercellen 7' leiden. De uitlaten van de reformeercellen 7' zijn op de in figuur 6 niet weergegeven diagonaal tegenover gelegen hoek van de brandstofcellenblok 1’ aangebracht en op overeenkomstige wijze via leidingen op gasverdelers aangesloten.

30 De onderhavige uitvinding heeft tot doel een brandstof- cellensamenstel van de voornoemde soort zodanig verder te ontwikkelen, dat het reformeren met een hoge effectiviteit bij een gering gecompliceerde constructie van het samenstel mogelijk is.

35 Dit doel wordt volgens de onderhavige uitvinding door middel van een brandstofcellensamenstel met de maatregelen van conclusie 1 bereikt.

1001519 4

Een belangrijk voordeel van het brandstofcelsamenstel volgens de uitvinding bestaat daarin, dat het katalysatormate-riaal van de reformeerinrichting tegen een contaminatie door de electrolyten van de brandstofcellen is beschermd.

5 Een verder belangrijk voordeel bestaat in de eenvoudige gasgeleiding, waarbij slechts twee gaskanalen voor het toevoeren van het te reformeren verse brandstofgas en de geleiding van het te reformeren verse brandstofgas naar de anodeinlaat van de brandstofcellen zijn vereist.

10 Een verder belangrijk voordeel van het samenstel volgens de uitvinding bestaat daarin, dat bij verbruik van het kataly-satormateriaal van de reformeerinrichting of bij andere de reformeerinrichting betreffende storingen een uitwisseling van de reformeerinrichting zonder vernietiging van de brandstof-15 cellenblok mogelijk is.

Voordelige uitvoeringen van de uitvinding zijn in de volgconclusies gekenmerkt.

Volgens een bijzonder voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding is de reformeerinrichting in de verbrandingsgas-20 stroom aan de kathodeuitlaat aangebracht. Hierdoor wordt een zo groot mogelijk gebruik van de bij de brandstofcelreactie vrij gekomen warmte bereikt.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm is de reformeerinrichting binnen een op de desbetreffende uitlaat van de 25 brandstofcellenblok geplaatst uitlaataansluitstuk aangebracht.

Hierdoor wordt een zo groot mogelijke ruimtebesparing bereikt.

Volgens een verdere bijzonder voordelige uitvoeringsvorm zijn de brandstofcellenblok en de reformeerinrichting binnen een gemeenschappelijk beschermhuis aangebracht, waarbij de 30 gebieden aan de inlaten en uitlaten aan de anoden en kathoden door tussen de brandstofcellenblok en de binnenzijde van het beschermhuis zich uitstrekkende scheidingselementen ten opzichte van elkaar zijn gescheiden, en de reformeerinrichting in het zodanig gevormde gebied aan de kathodeuitlaat of anode-35 uitlaat is aangebracht. Hierdoor kan het gehele brandstof- samenstel met geringe kosten worden vervaardigd en er is een 1001519 5 hoge totale effectiviteit van het brandstofcellensamenstel bereikbaar.

In het hiernavolgende worden uitvoeringsvoorbeelden van de uitvinding onder verwijzing naar de tekening nader toege-5 licht, hierin toont: figuur 1 een gesneden zijaanzicht van een eerste uitvoe-ringsvoorbeeld van het brandstofcellensamenstel volgens de uitvinding; figuur 2 een gesneden bovenaanzicht van het in figuur 1 10 weergegeven eerste uitvoeringsvoorbeeld; figuur 3 een gesneden aanzicht door de reformeerinrich-ting volgens de onderhavige uitvinding; figuur 4 een gesneden zijaanzicht van een tweede uitvoeringsvoorbeeld van het brandstofcellensamenstel volgens de 15 uitvinding; figuur 5 een gesneden bovenaanzicht van het in figuur 4 getoonde tweede uitvoeringsvoorbeeld; en figuur 6 een deelaanzicht in perspectief van een brandstof cellensamenstel met een reformeerinrichting volgens de 20 stand der techniek.

Bij het in de figuren 1 en 2 in zijaanzicht en in bovenaanzicht in dwarsdoorsnede getoonde brandstofsamenstel is een brandstofcellenblok 1 door een aantal van in een stapel opgestelde brandstofcellen 2 gevormd, waarvan slechts enkele zijn 25 aangeduid. De brandstofcellen 2 omvatten telkens aan de anoden op één zijde van de brandstofcellenblok 1, in figuur 2 boven te zien, een inlaat 13 voor het verse brandstofgas en op de tegenover gelegen zijde, in figuur 2 beneden te zien, een uitlaat 14 voor het verbruikte brandstofgas, alsmede aan de 30 kathoden van de brandstofcellen, in figuur 2 links te zien, een inlaat 15 voor het verse kathodegas en op de tegenover gelegen zijde, dus in figuur 2 rechts te zien, een uitlaat 16 voor het verbruikte brandstofgas. Op de inlaten 13 en 15 en de uitlaten 14 en 16 van de brandstofcellen 2 zijn telkens 35 inlaat- en uitlaataansluitstukken 131, 141, 151 en 161 aangebracht, door welke aansluitstukken de desbetreffende gasstro- 1001519 6 men aan de desbetreffende zijden van de brandstofcellenblok 1 verdeeld respectievelijk samengevoegd worden.

De als een soort warmtewisselaar uitgevoerde reformeer-inrichting 7 is bij het in de figuren 1 en 2 getoonde uitvoe-5 ringsvoorbeeld direct in de verbrandingsgasstroom aan de kathodeuitlaat 16 van de brandstofcellenstapel 1 aangebracht, waarbij het doorsnedevlak van de reformeerinrichting 7 in hoofdzaak overeenkomt met het doorsnedevlak van de desbetreffende zijde van de brandstofcellenstapel 1.

10 Zoals uit figuur 3 blijkt, omvat de reformeerinrichting 7 een eerste gebied 71, dat is voorzien van een inlaat 77 voor het opnemen van het te reformeren verse brandstofgas alsmede een uitlaat 78 voor het afgeven van het gereformeerde verse brandstofgas. Dit gebied 71 omvat een aantal verticaal verlo-15 pende kanalen 711, waarin de het reformeerproces opwekkende katalysator in de vorm van een storting uit van een laag kata-lysatormateriaal voorziene deeltjes is aangebracht. Het kata-lysatormateriaal, dat in figuur 3 niet speciaal is weergegeven, is met het verwijzingscijfer 8 aangeduid.

20 Verder omvat de reformeerinrichting 7 een met het eerste gebied 71 thermisch gekoppeld tweede gebied 72, waardoorheen de verbrandingsgasstroom van de kathodeuitlaat 16 van de brandstofcellenblok 2 als verwarmingsgas voor de reformeerinrichting 7 wordt geleid. Daarmee wordt de uit de verbran-25 dingsgasstroom van de kathodeuitlaat 16 van de brandstofcel- lenblok 1 in het tweede gebied 72 van de reformeerinrichting 7 onttrokken warmte overgedragen aan het katalysatormateriaal 8 in het eerste gebied 71 van de regenereerinrichting en hier voor het endotherme reformeerproces gebruikt.

30 Het te reformeren verse verbrandingsgas wordt naar de inlaat 77 van de reformeerinrichting 7 geleid en na het doorlopen van de met het katalysatormateriaal 8 gevulde kanalen 711 via de uitlaat 78 afgegeven. De uitlaat 78 van de reformeerinrichting 7 is via een leiding 8 verbonden met het 35 aansluitstuk 131 aan de anodeinlaat 13 van de brandstofcellenblok 1.

1001519 7

Het verloop van de stroming in het brandstofcellensamen-stel is dus als volgt:

Het verse kathodegas treedt via het aansluitstuk 151 aan de kathodeinlaatzijde 15 in de brandstofcellenstapel 1 in. Het 5 bij de brandstofcelreactie in de brandstofcellenblok 1 verwarmde kathodegas treedt aan de kathodeuitlaat 16 uit de brandstofcellenstapel 1 en in de reformeerinrichting 7 in. Tijdens het passeren van het tweede gebied 72 van de refor-meerinrichting 7 geeft het verwarmde kathodeverbrandingsgas 10 een gedeelte van zijn warmte via warmtewisseling af aan het door de kanalen 711 van het eerste gebied 71 van de reformeer-inrichting 7 stromende brandstofgas, waardoor de voor het reformeerproces noodzakelijke warmte naar het brandstofgas wordt geleid. Het uit de reformeerinrichting 7 stromende 15 kathodeverbrandingsgas verlaat het brandstofsamenstel via het aansluitstuk 161. Het via de inlaat 77 in de reformeerinrich-ting 7 ingetreden brandstofgas verlaat na het reformeerproces deze inrichting via de uitlaat 78 en wordt via de leiding 8 geleid naar het aansluitstuk 131 aan de anodeinlaat 13 van de 20 brandstofcellenblok, passeert de anoden van de brandstofcellen 1 en verlaat de brandstofcellenblok 1 aan de anodezijde 14 daarvan via het aansluitstuk 141.

De figuren 4 en 5 tonen een verder uitvoeringsvoorbeeld van het brandstofcellensamenstel volgens de uitvinding met een 25 reformeerinrichting. Het brandstofcellenblok 1 is tezamen met de reformeerinrichting 7 binnen een beschermhuis 9 aangebracht. Vóór de inlaten en uitlaten 13, 14, 15 en 16 van de anoden en kathoden zijn door middel van scheidingselementen 11, die zich tussen de brandstofcellenblok 1 en de binnenzijde 30 van het beschermhuis 9 uitstrekken, gebieden 131', 141', 151' en 161’ gevormd, die overeenkomen met de onder de aansluit-stukken 131, 141, 151 en 161 gevormde gebieden. De scheidingselementen kunnen uit verende metalen ribben bestaan. De reformeerinrichting 7 is in het aan de kathodeuitlaat 16 gevormde 35 gebied 161' aangebracht.

Het via een kathodegasinlaat 91 in het gebied 151' intredende verse kathodegas stroomt vanuit de kathodeinlaat 15 door 1001519 8 de brandstofcellenblok 1 en verlaat de brandstofcellenblok op de kathodeuitlaatzijde 16. Na het passeren van de direct achter de kathodeuitlaat 16 aangebrachte reformeerinrichting 7 stroomt het verbruikte kathodegas, dat een gedeelte van zijn 5 warmte heeft afgegeven aan het door de reformeereenheid 7 stromende verse brandstofgas, in het gebied 161' en verlaat het beschermhuis 9 via een uitlaat 76 voor het kathodeverbran-dingsgas. Het verse brandstofgas wordt via een geleiding 77 naar de inlaat van de reformeerinrichting 7 geleid en verlaat 10 deze na het passeren daarvan via een leiding 78, waar vandaan het gereformeerde verse brandstofgas in het gebied 131' aan de anodeinlaatzijde 13 van de brandstofcellenblok 1 wordt geleid.

Aanvullend op de beschreven uitvoeringsvoorbeelden zijn een aantal verdere uitvoeringsvormen mogelijk. Zo kan de 15 reformeerinrichting 7 afwijkend ook in de verbrandingsgas- stroom aan de anodeuitlaat 14 zijn aangebracht. Terwijl bij de beschreven uitvoeringsvoorbeelden erin is voorzien, dat het doorsnedevlak van de reformeerinrichting 7 in hoofdzaak overeenkomt met het doorsnedevlak van de desbetreffende uitlaat-20 zijde 16 van de brandstofcellenblok 1, waarbij de reformeer-inrichting 7 in aansluiting op de brandstofcellenblok 1 is aangebracht, kan afwijkend daarvan ook erin zijn voorzien, dat het doorsnedevlak van de reformeerinrichting 7 een kleiner doorsnedevlak dan de desbetreffende uitlaatzijde 16 respectie-25 velijk 14 van de brandstofcellenblok bezit, waarbij de refor-meerinrichting 7 dan met een daartussen geplaatst, de doorsneden verbindend, aansluitstuk op de brandstofcellenblok is aangesloten. Afwijkend van de beschreven uitvoeringsvoorbeelden kan het katalysatormateriaal ook door middel van een 30 oppervlaktelaag van de kanalen 711 van de reformeerinrichting 7 zijn voorzien, waarbij dan de kanalen zodanig uit te voeren zijn, dat deze een zo groot mogelijk oppervlak in verhouding tot de doorsnede daarvan bezitten.

1001519

Claims

1. Brandstofcellensamenstel met in een brandstofcellenblok in de vorm van een stapel aangebrachte brandstofcellen, welk brandstofcellensamenstel telkens aan de anode op een zijde van de brandstofcellenblok een inlaat voor vers brandstofgas en op 5 de daarvan tegenovergelegen zijde een uitlaat voor verbruikt brandstofgas en aan de kathoden op een andere zijde van de brandstofcellenblok een inlaat voor vers kathodegas en op, de daartegenover gelegen zijde een uitlaat voor verbruikt kathodegas omvat, en met een door de bij de brandstofcelreactie 10 vrijgekomen warmte verwarmde reformeerinrichting voor het reformeren van het naar de anodeinlaat van de brandstofcellen toe te leiden verse brandstofgas, welke reformeerinrichting een van een katalysator voorzien gebied met een inlaat voor het opnemen van het te reformeren verse brandstofgas en een 15 met de anodeinlaat verbonden uitlaat voor het gereformeerde verse brandstofgas omvat, waarin het reformeerproces plaatsvindt, met het kenmerk, dat de reformeerinrichting (7) is uitgevoerd als een in de verbrandingsgasstroom direct achter de brandstofcellenblok aangebrachte warmtewisselaar met een 20 thermisch aan het eerste gebied (71) gekoppelde tweede gebied (72), waardoorheen de verbrandingsgasstroom van de brandstofcellen als stookgas voor het verwarmen van de reformeerinrichting (7) wordt geleid.

2. Brandstofcellensamenstel volgens conclusie 1, met het 25 kenmerk, dat de reformeerinrichting (7) in de verbrandingsgasstroom aan de kathodeuitlaat (16) is aangebracht.

3. Brandstofcellensamenstel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de reformeerinrichting (7) in de verbrandingsgasstroom aan de anodeuitlaat (14) is aangebracht.

4. Brandstofcellensamenstel volgens ten minste één der conclusies 1 t/m 3, met het kenmerk, dat het doorsnedevlak van de reformeerinrichting (7) in hoofdzaak overeenkomt met het doorsnedevlak van de desbetreffende uitlaatzijde (16, 14) van de brandstofcellenblok (1), en dat de reformeerinrichting (7) 35 in aansluiting op de brandstofcellenblok (1) is aangebracht. 10 0 15 19

5. Brandstofcellensamenstel volgens ten minste één der conclusies 1 t/m 3, met het kenmerk, dat het doorsnedevlak van de reformeerinrichting (7) een kleiner doorsnedevlak bezit dan de desbetreffende uitlaatzijde (16, 14) van de brandstofcel- 5 lenblok en dat de reformeerinrichting (7) met een daartussen geplaatst, de dwarsdoorsneden aanpassend aansluitstuk op de brandstofcellenblok (1) is aangebracht.

6. Brandstofcellenstapel volgens ten minste één der conclusies 1 t/m 5, met het kenmerk, dat de reformeerinrichting (7) 10 binnen een op de desbetreffende uitlaat van het brandstofcellenblok (1) geplaatst uitlaataansluitstuk (161, 141) is aangebracht .

7. Brandstofcellensamenstel volgens ten minste één der conclusies 1 t/m 6, met het kenmerk, dat het eerste gebied 15 (71) van de reformeerinrichting (7) een aantal kanalen (711) omvat, waarin de katalysator (8) is geplaatst, en welke kanalen in het tweede gebied (72) zijn ingebed.

8. Brandstofcellensamenstel volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de kanalen (711) verticaal verlopen, en dat de 20 kanalen zijn gevuld met een storting bestaande uit een laag deeltjes die van katalysatormateriaal zijn voorzien, of zijn gevuld met katalysatorpellets.

9. Brandstofcellensamenstel volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat de kanalen (711) zijn voorzien van een laag 25 katalysatormateriaal.

10. Brandstofcellensamenstel volgens ten minste één der conclusies 1 t/m 9, met het kenmerk, dat de brandstofcellenblok (1) en de reformeerinrichting (7) binnen een gemeenschappelijk beschermhuis (9) zijn aangebracht, waarbij de gebieden 30 aan de desbetreffende inlaten en uitlaten (13, 14, 15, 16) aan de anoden en kathoden door tussen de brandstofcellenblok (1) en de binnenzijde van het beschermhuis (9) zich uitstrekkende scheidingselementen (veerstukken 11) ten opzichte van elkaar zijn gescheiden, en dat de reformeerinrichting (7) in het 35 zodanig gevormde gebied aan de kathodeuitlaat (16) en/of anodeuitlaat (14) is aangebracht. 1001519