AT513912A1 - Energieerzeugungseinheit mit einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack und einer Verdampfungseinheit - Google Patents

Energieerzeugungseinheit mit einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack und einer Verdampfungseinheit Download PDF

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AT513912A1
AT513912A1 ATA84/2013A AT842013A AT513912A1 AT 513912 A1 AT513912 A1 AT 513912A1 AT 842013 A AT842013 A AT 842013A AT 513912 A1 AT513912 A1 AT 513912A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinheit mit einem mit flüssigem Brennstoff betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack (10) und einem dem Brennstoffzellenstack vorgeschalteten Reformer (11) zur Aufbereitung des Brennstoffs, einer Rezirkulationsleitung (13) zur zumindest teilweisen Rückführung des Anodenabgases in den Reformer (1) und einer Einrichtung zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs in das Anodenabgas. Erfindungsgemäß ist die Einrichtung zur Zufuhr des Brennstoffs als Verdampfungseinrichtung (20) ausgeführt, mit einem Gehäuse (21), das im Bereich der Brennstoffzuleitung (22) ein Verdampfervlies(23) aufweist, das mit dem heißen Anodenabgas aus der Rezirkulationsleitung (13)beaufschlagbar ist.

Description

1 56545 ······ ··· ··· · I ········* ·+ ·· ·· ·· ·· ·
Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinheit mit einem mit flüssigem Brennstoff betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack und einem dem Brennstoffzellenstack vorgeschalteten Reformer zur Aufbereitung des Brennstoffs, einer Rezirkulationsleitung zur zumindest teilweisen Rückführung des Anodenabgases in den Reformer sowie einer Einrichtung zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs in das Anodenabgas. Weiters betrifft die Erfindung eine Verdampfungseinheit zur Herstellung eines Eduktgases aus einem heißen Trägergas, beispielsweise Anodenabgas, und einem flüssigen Brennstoff zum Betrieb eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstacks mit vorgeschaltetem Reformer.
Eine derartige Energieerzeugungseinheit (Auxiliary Power Unit APU) kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, wo sie zur Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie dient.
Aus der AT 502 131 Bl ist beispielsweise eine Energieerzeugungseinheit mit zumindest einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bekannt, bei welcher eine Rezirkulationsleitung für das Anodenabgas vorgesehen ist, welche ausgehend von einer Abführleitung für das Anodenabgas zu einer Zuführleitung eines Reformers zur Aufbereitung des Brennstoffs führt. Stromaufwärts eines dem Reformer vorgeschalteten Verdichters mündet in die Rezirkulationsleitung ein Injektor mit welchem der flüssige Brennstoff in das heiße Anodenabgas eingesprüht oder eingespritzt wird. Die für die Einspritzung von Kraftstoff verwendeten Düsen oder Injektoren haben den Nachteil, dass sie für den Einsatz in heißer Umgebung nicht geeignet sind und daher eine kompakte Bauweise erschwert wird. Nachteilig ist auch das schlechte Sprühbild von Düsen und Injektoren im Teillastbetrieb, was zu einer schlechten Verdampfung bzw. Homogenisierung des Kraftstoffs führt.
Aus der US 2002/0114988 Al ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) aufweist, die mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff, beispielsweise Benzin, betrieben wird. Anodenseitig ist ein Reformer für den flüssigen Brennstoff vorgeschaltet. Ein Teil des heißen Anodenabgases wird über eine Anodenrezirkulation in den Anodenkreislauf rückgeführt, wobei der flüssige Brennstoff stromaufwärts eines dem Reformer vorgeschalteten Anodengebläses eingesprüht oder eingespritzt wird. Dafür ist ein Zerstäuber vorgesehen, mit welchen über einen Injektor flüssiger Brennstoff 2/15 2 • ·· ·· ·· ·· · · • ·· · · · ··· · · · · eingebracht wird. Auch für diese Vorrichtung gelten* cHe*z*ar*AT*50iM?l Bl angeführten Nachteile.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energieerzeugungseinheit der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine kompakte Baueinheit, insbesondere für die Anwendung in einer APU gegeben ist, wobei Verbesserungen bei der genauen Eindosierung des flüssigen Brennstoffs und eine Homogenisierung des Eduktgases auch im Teillastbetrieb erzielt werden sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einrichtung zur Zufuhr des Brennstoffs als Verdampfungseinrichtung ausgeführt ist, mit einem Gehäuse, das im Bereich der Brennstoffzuleitung ein Verdampfervlies aufweist, das mit dem heißen Anodenabgas aus der Rezirkulationsleitung beaufschlagbar ist. Mit der Verdampfungseinheit wird der flüssige Dieselkraftstoff oder ein anderer Kohlenwasserstoff in ein heißes Trägergas, bevorzugt dem rückgeführten Anodenabgas, eindosiert und verdampft vollständig. Dabei entsteht ein Brennstoff/Gas-Gemisch das als Eduktgas einem Reformer beispielsweise eines SOFC-Systems zugeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist das Gehäuse der Verdampfungseinheit im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt und weist auf einer Seite eine zentrale Zuleitung für den Brennstoff und auf der gegenüberliegenden Seite einen zentralen Gasauslass für das Eduktgas auf. Weiters weist das Gehäuse der Verdampfungseinheit einen bevorzugt tangential einmündenden Gaseinlass für das Anodenabgas auf. Durch die tangentiale Einmündung stellt sich eine Drallströmung im Gehäuse der Verdampfungseinheit ein, die am Verdampfervlies vorbei streicht und ein homogenes Gasgemisch auch im Teillastbetrieb erzeugt.
Um rasch eine optimale Betriebstemperatur zu erreichen, kann das Gehäuse der Verdampfungseinheit bevorzugt in einer Abgaskammer der Energieerzeugungseinheit aufgenommen sein, in welche Abgaskammer heiße Abgase des Brennstoffzellenstacks und/oder des Starterbrenners der Energieerzeugereinheit eingeleitet werden.
Eine Verdampfungseinheit zur Herstellung eines Eduktgases aus einem heißen Trägergas, beispielsweise Anodenabgas, und einem flüssigen Brennstoff zum Betrieb eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstacks mit vorgeschaltetem Reformer 3/15 3 • · · ·· ·· ·· · · • · · · · · ··· ··· · zeichnet sich somit erfindungsgemäß dadurch aus;*dass cHe Verdampftjngseinheit ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse aufweist, das auf einer Seite eine zentrale Zuleitung für den Brennstoff und ein Verdampfervlies aufweist und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem zentralen Gasauslass für das Eduktgas ausgestattet ist, wobei ein bevorzugt tangential einmündender Gaseinlass für das heiße Trägergas vorgesehen ist.
Aufgrund der idealen Strömungsführung zwischen dem tangentialen Gaseinlass und dem zentralen Gasauslass ergeben sich beim Betrieb der Verdampfungseinheit nur geringe Druckverluste, wobei auch bei kleinem Volumen gute Verdampfungsraten erzielt werden können.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann das eingangs des Reformerkatalysators angeordnete Gasverteilergehäuse (Reformermanifold) einen Ringraum aufweisen, in welchen die Zuleitung für das aufzubereitende Kraftstoff/-Gas-Gemisch einmündet, wobei ausgehend vom Ringraum radiale Zugangsöffnungen vom Ringraum zur Eintrittsfläche des Reformerkatalysators angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird eine Homogenisierung des Gasstroms durch den Katalysator erreicht.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann die Verdampfungseinheit ein dem Verdampfervlies zugeordnetes Heizelement, vorzugsweise einen elektrisch beheizbaren Glühstift, aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zum Teil schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinheit in einer schematischen Übersichtsdarstellung samt Einbaulage der Verdampfungseinheit,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Verdampfungseinheit in der Abgaskammer einer Energieerzeugungseinheit,
Fig. 3 eine dreidimensionale Darstellung der Energieerzeugungseinheit gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Verdampfungseinheit in einer Schnittdarstellung, sowie 4/15 4
Fig. 5 eine teilschematische, dreidimensionale*ÖbersichtSdarstdtunQ der Einbaulage der Verdampfungseinheit gemäß Fig. 3.
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinheit in einer schematischen Übersichtsdarstellung. Die Energieerzeugungseinheit weist einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack 10 (beispielsweise SOFC) mit einer Anodenseite A und einer Kathodenseite K auf, wobei anodenseitig über eine Rezirkulationsleitung 13 ein Reformer 11 vorgeschaltet ist, der zur Aufbereitung des flüssigen Brennstoffs, beispielsweise Diesel, dient. Der Brennstoff F wird mittels Kraftstoffpumpe 12 einer Verdampfungseinheit 20 zugeführt und in das Anodenabgas aus der Rezirkulationsleitung 13 eingebracht bzw. eindosiert, sowie zusammen mit dem nötigen Oxidationsmittel, beispielweise Luft L, mittels Verdichter 14 dem Reformer 11 zugeführt.
Weiters kann der Kraftstoff F während des Startzyklus der Energieerzeugereinheit mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe 15 einem Starterbrenner 16 zugeführt werden, dessen Abgase in einen Oxidationskatalysator bzw. Nachbrenner 17 geführt werden und den Katalysator des Reformers 11 aufheizen.
Der Verdichter 18 dient für die Zufuhr des Oxidationsmittels (z.B. Luft L) zur Kathodenseite K des Brennstoffzellenstacks 10, wobei das Oxidationsmittel über einen Wärmetauscher 19 geführt wird, der von den Abgasen des Oxidationskatalysators 17 mit Abwärme beaufschlagt wird. In der Startphase wird auch der Starterbrenner 16 über den Verdichter 18 mit der benötigten Luft L versorgt.
Die Verdampfungseinrichtung 20 weist ein Gehäuse 21 auf, das im Bereich der Brennstoffzuleitung 22 ein Verdampfervlies 23 aufweist, das den Brennstoff rasch aufnimmt und auf eine große Oberfläche verteilt. Das Verdampfervlies 23 wird mit dem heißen Anodenabgas aus der Rezirkulationsleitung 13 beaufschlagt, sodass der Brennstoff verdampft.
Wie beispielsweise in den Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt, ist das Gehäuse 21 der Verdampfungseinheit 20 beispielsweise zylindrisch ausgeführt, wobei eine Deckseite eine zentrale Zuleitung 22 für den Brennstoff und direkt angrenzend das Verdampfervlies 23, sowie die gegenüberliegenden Deckseite einen zentralen Gasauslass 24 für das Eduktgas, bestehend aus Anodenabgas und verdampftem 5/15 5
Brennstoff, aufweist. Der tangential einmündencTe*Gasteiiitass*25 für cfäs Anodenabgas sorgt für eine Drallströmung im Inneren des Verdampfergehäuses.
Das Verdampfervlies 23 besteht aus einem flächigen, bevorzugt scheibenförmigen Metall- oder Keramikvlies, welches auch hohen Temperaturen im Bereich von 250°C bis 600°C beim Betrieb der Energieerzeugungseinheit Stand hält, wobei die höheren Temperaturen vor allem im Startbetrieb der Energieerzeugungseinheit erreicht werden.
Das Gehäuse 21 der Verdampfungseinheit 20 ist in Fig. 2 in einer Abgaskammer 26 der Energieerzeugungseinheit angeordnet, welche Abgaskammer 26 heiße Abgase des Brennstoffzellenstacks (hier nicht dargestellt) und des Starterbrenners 16 sammelt und über einen Auslass 29 dem Wärmetauscher 19 (siehe Fig. 1) zuführt. Als Vorteil sind die kompakte Bauweise und die Versorgung mit der für den Betrieb der Verdampfungseinheit notwendigen thermischen Energie anzuführen. Die Trennebene zwischen dem heißen Innenbereich und dem kalten Außenbereich der Vorrichtung ist strichpunktiert angedeutet, wobei das Gehäuse 21 der Verdampfungseinheit 20 beispielsweise als zylindrische Blechkonstruktion ausgeführt sein kann, die an der Wand 27 der Abgaskammer befestigt, z.B. angeschweißt, ist. Das Gehäuse 21 kann auch kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein oder eine andere strömungstechnisch optimierte Form aufweisen, um die Verdampfungsrate der Einheit 20 zu erhöhen. Die Deckfläche des Gehäuses 21 kann im Bereich des Verdampfervlieses 23 durch die Wand 27 der Abgaskammer 26 gebildet sein.
Die aufgeschnittene, dreidimensionale Darstellung gemäß Fig. 3 zeigt die Verdampfungseinheit 20 im ausgebauten Zustand, wobei ein Stützring 30 zur Abstützung des Verdampfervliese 23 erkennbar ist.
Die Ausführungsvariante gemäß Fig. 4 zeigt eine Verdampfungseinheit 20, bei welcher eine Zusatzheizung ausgebildet ist. Dabei weist die Verdampfungseinheit 20 ein dem Verdampfervlies 23 zugeordnetes Heizelement, vorzugsweise einen elektrisch beheizbaren Glühstift 28, auf. Es ist auch möglich oberhalb und/oder unterhalb des Verdampfervlieses 23 eine elektrische Heizmatte oder Heizspirale anzuordnen. Eine derartige Verdampfungseinheit kann auch außerhalb der Abgaskammer 26 angeordnet werden und rasch auf Betriebstemperatur gebracht werden. 6/15 6 S · · · · · ··· ··· · ··«······
Die teilschematische Ubersichtsdarstellung gemäß*Fig.*5 2feigttne*be\A)rzugte Anordnung der Verdampfungseinheit 20 in der Abgaskammer 26, in welche die den Oxidationskatalysator 17 durch die Öffnungen 31 verlassenden, heißen Abgase eintreten und das Gehäuse 21 der Verdampfungseinheit 20 aufheizen. Der Oxidationskatalysator 17 dient als Nachbrenner für den ebenfalls in der Abgaskammer 26 angeordneten Starterbrenner 16 und die Abgase des Brennstoffzellenstacks.
Die obere Deckfläche des Gehäuses 21 wird durch die Wand 27 der Abgaskammer 26 gebildet, wodurch die Brennstoffzuleitung zur Verdampfungseinheit 20 in vorteilhafter Weise im kühleren Außenbereich (außerhalb der Abgaskammer 26) angeordnet werden kann.
Das in der Verdampfungseinheit 20 erzeugte Brennstoff/Gas-Gemisch (Eduktgas) wird über die Gasauslassleitung 24 aus der Abgaskammer 26 heraus geführt und nach der Zudosierung von Luft L dem im kühleren Außenbereich angeordneten Verdichter 14 zugeführt. Nach der Verdichtung gelangt das Eduktgas über eine Zuführleitung 32, die wieder in die heiße Abgaskammer 26 eintaucht, in den Reformer 11.
Im Anschluss an den Starterbrenner 16 ist strichliert die in den Oxidationskatalysator 17 mündende Brennerkammer 33 des Starterbrenners 16 angedeutet. 7/15

Claims (10)

  1. 7 • · • · PATENTANSPRÜCHE 1. Energieerzeugungseinheit mit einem mit flüssigem Brennstoff betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack (10) und einem dem Brennstoffzellenstack vorgeschalteten Reformer (11) zur Aufbereitung des Brennstoffs, einer Rezirkulationsleitung (13) zur zumindest teilweisen Rückführung des Anodenabgases in den Reformer (1) und einer Einrichtung zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs in das Anodenabgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Zufuhr des Brennstoffs als Verdampfungseinrichtung (20) ausgeführt ist, mit einem Gehäuse (21), das im Bereich der Brennstoffzuleitung (22) ein Verdampfervlies (23) aufweist, das mit dem heißen Anodenabgas aus der Rezirkulationsleitung (13) beaufschlagbar ist.
  2. 2. Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (21) der Verdampfungseinheit (20) vorzugsweise zylindrisch ausgeführt ist, auf einer Seite eine zentrale Zuleitung (22) für den Brennstoff und auf der gegenüberliegenden Seite einen zentralen Gasauslass (24) für das Eduktgas, bestehend aus Anodenabgas und verdampftem Brennstoff aufweist.
  3. 3. Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (21) der Verdampfungseinheit (20) einen bevorzugt tangential einmündenden Gaseinlass (25) für das Anodenabgas aufweist.
  4. 4. Energieerzeugungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfervlies (23) ein flächiges, bevorzugt scheibenförmiges, Metall- oder Keramikvlies ist.
  5. 5. Energieerzeugungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (21) der Verdampfungseinheit (20) in einer Abgaskammer (26) der Energieerzeugungseinheit aufgenommen ist, welche Abgaskammer (26) heiße Abgase der Energieerzeugungseinheit aufnimmt. 8/15 © ········«· · • · · · · ·· ·♦ · ♦ • · · · · ·♦ ♦ ·· ·
  6. 6. Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 5**da*rfarc^T,ge,kemizeichnet/ dass das Gehäuse (21) der Verdampfungseinheit (20) als vorzugsweise zylindrische Blechkonstruktion ausgeführt ist, wobei die Deckfläche des Gehäuses (21) im Bereich des Verdampfervlieses (23) durch die Wand (27) der Abgaskammer (26) gebildet ist.
  7. 7. Energieerzeugungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinheit (20) ein dem Verdampfervlies (23) zugeordnetes Heizelement, vorzugsweise einen elektrisch beheizbaren Glühstift (28) oder eine elektrische Heizspirale, aufweist.
  8. 8. Verdampfungseinheit (20) zur Herstellung eines Eduktgases aus einem heißen Trägergas, beispielsweise Anodenabgas, und einem flüssigen Brennstoff zum Betrieb eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstacks (10) mit vorgeschaltetem Reformer (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinheit (20) ein vorzugsweise zylindrisches Gehäuse (21) aufweist, das auf einer Seite eine zentrale Zuleitung (22) für den Brennstoff und ein Verdampfervlies (23) aufweist und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem zentralen Gasauslass (24) für das Eduktgas ausgestattet ist, sowie dass ein bevorzugt tangential einmündender Gaseinlass (25) für das heiße Trägergas vorgesehen ist.
  9. 9. Verdampfungseinheit (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfervlies (23) ein Metall- oder Keramikvlies ist.
    IC/toici t#«rOC>iu* 0*i:r Gürtet ä*/U -H· ii
  10. 10. Verdampfungseinheit (20) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinheit (20) ein dem Verdampfervlies (23) zugeordnetes Heizelement, vorzugsweise einen elektrisch beheizbaren Glühstift (28) oder eine elektrische Heizspirale, aufweist. ** w« ι)ύ·:2ί 2013 02 04 Lu 9/15
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