AT524304B1

AT524304B1 - Verdampfervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: AT524304B1
Application number: ATA50873/2020A
Authority: AT
Inventors: Reichholf Dipl -Ing David; Koberg BSC Franz
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-10-15
Also published as: DE112021003523A5; WO2022073054A1; AT524304A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Zuführabschnitt (20) für die Zufuhr von Wasser, einen Verdampferabschnitt (30) mit einer Aufteilvorrichtung (40) für eine Aufteilung des zugeführten Wassers vom Zuführabschnitt (30) auf einen ersten Verdampferstrang (50) mit einer kalten Wärmetauscherseite (KWT) eines ersten Wärmetauschers (52) und wenigstens einen zweiten Verdampferstrang (60) mit einer kalten Wärmetauscherseite (KWT) eines zweiten Wärmetauschers (62), weiter aufweisend einen Sammelbehälter (70) in fluidkommunizierender Verbindung mit dem ersten Verdampferstrang (50) und dem wenigstens einen zweiten Verdampferstrang (60) zum Auffangen von wenigstens teilweise verdampftem Wasser und einen Abfuhrabschnitt (80) zur Abfuhr von Wasserdampf aus dem Sammelbehälter (70), wobei der erste Wärmetauscher (52) eine heiße Wärmetauscherseite (HWT) und der zweite Wärmetauscher (62) eine heiße Wärmetauscherseite (HWT) aufweisen für die Führung von unterschiedlichen, heißen Prozessströmen des Brennstoffzellensystems (100), wobei die Aufteilvorrichtung (40) wenigstens eine Kontrollvorrichtung (42) aufweist für eine qualitative und/oder eine quantitative Kontrolle eines Aufteilverhältnisses des Wassers auf die Verdampferstränge (50, 60).

Description

Beschreibung

VERDAMPFERVORRICHTUNG FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Verdampfervorrichtung sowie ein Verfahren für die Kontrolle eines Verdampfungsvorgangs mittels einer Verdampfervorrichtung.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme die Möglichkeit vorsehen, Energie im System zurückzugewinnen. Dies gilt insbesondere für ein Brennstoffzellensystem im Elektrolysebetrieb, welches bei dem Elektrolysebetrieb erwärmte Prozessabgase erzeugt. Um die Wärmerückgewinnung im Brennstoffzellensystem zu gewährleisten, sind üblicherweise Wärmetauscher vorgesehen, welche in der Lage sind, die Abwärme in den Prozessabgasen in den Prozess zurückzuführen. Insbesondere werden die Prozessabgase verwendet, um Zuführgase im Brennstoffzellensystem vorzuwärmen und/oder zu verdampfen.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass die benötige Wärmemenge für die einzelnen Zuführgase nur selten mit der beinhalteten Wärmemenge in den Abgasen übereinstimmt. So übersteigt teilweise der Wärmebedarf z. B. für ein Verdampfen von Wasser in einem Zuführgas, die Menge an Wärme, welche in einem einzelnen Prozessabgas enthalten ist. Dies führt dazu, dass auch bei maximalen Abkühlen eines solchen einzelnen Prozessabgases die übertragene Wärme nicht ausreichen würde, um die benötige Verdampfungsenthalpie vollständig zur Verfügung zu stellen. Bei bekannten Lösungen wird daher entweder ein zusätzliches Nachheizen notwendig, oder aber es wird ein Prozessstrom verwendet, welche deutlich heißer ist und/oder mehr Wärmeinhalt hat, als eigentlich benötigt. In letzterem Fall würde aber der heiße Prozessstrom mit entsprechender Restwärme an die Umgebung abgegeben werden, so dass ein Wärmeverlust aus dem System entsteht.

[0004] Eine weitere Verdampfervorrichtung ist beispielsweise aus der US 2019245224 A1 bekannt.

[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise, ein möglichst energiesparendes Verdampfen durch Wärmerückgewinnung in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen.

[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Verdampfervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

[0007] Erfindungsgemäß ist eine Verdampfervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Um das Verdampfen durchzuführen, weist die Verdampfervorrichtung einen Zuführabschnitt für die Zufuhr von Wasser auf. Diesem Zuführabschnitt nachgelagert, ist ein Verdampferabschnitt mit einer Aufteilvorrichtung für eine Aufteilung des zugeführten Wassers vom Zuführabschnitt auf einen ersten Verdampferstrang mit einer kalten Wärmetauscherseite eines ersten Wärmetauschers und wenigstens einen zweiten Verdampferstrang mit einer kalten Wärmetauscherseite eines zweiten Wärmetauschers. Weiter ist ein Sammelbehälter vorgesehen in fluidkommunizierender Verbindung mit dem ersten Verdampferstrang und dem wenigsten einen zweiten Verdampferstrang zum Auffangen von wenigstens teilweise verdampftem Wasser. Uber einen Abführabschnitt wird Wasserdampf aus dem Sammelbehälter abgeführt. Dabei ist der erste Wärmetauscher mit einer heißen Wärmetauscherseite und der zweite Wärmetauscher ebenfalls mit einer heißen Wärmetauscherseite ausgestattet für die Führung unterschiedlicher, heißer Prozess-

ströme des Brennstoffzellensystems. Der erste Wärmetauscher oder der zweite Wärmetauscher oder beide Wärmetauscher sind insbesondere als Plattenwärmetauscher ausgebildet, wenngleich diese auch als Röhrenwärmetauscher ausgebildet sein können. Ein Wärmeübertrag funktioniert bei Plattenwärmetauschern besonders gut und effizient.

[0008] Das Brennstoffzellensystem ist dabei insbesondere als reversibel betreibbares Brennstoffzellensystem ausgebildet. D. h. dieses kann sowohl in einem Brennstoffzellenbetrieb als auch in einem Elektrolysebetrieb betrieben werden.

[0009] Erfindungsgemäß soll also ebenfalls das Problem gelöst werden, dass ein möglichst hoher Anteil an Abwärme aus dem Brennstoffzellensystem in ein Zuführmedium, in diesem Fall Wasserdampf, überführt wird. Einem Brennstoffzellensystem im Elektrolysebetrieb wird flüssiges Wasser zugeführt und verdampft. In verdampfter Form wird der Wasserdampf dem Brennstoffzellenstapel zugeführt, um dort unter Einbringung elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten zu werden. Dabei wird Wasserstoff und Sauerstoff sowie Wärme erzeugt, Sodass wasserstoffreiches Gas und sauerstoffreiches Gas den Brennstoffzellstapel in erwärmtem Zustand verlässt. Dabei handelt es sich um die beiden Hauptabgase eines solchen Brennstoffzellensystems, welche auch als Prozessgase in Form von Prozessabgasen oder Prozessströmen bezeichnet werden können. Um nun diese Abwärme in den Prozessabgasen zu nutzen, wird sie zurückgeführt in die heißen Wärmetauscherseiten der beiden Verdampferstränge einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung.

[0010] Auf Basis der voranstehenden Erläuterung wird ersichtlich, dass für jeden Prozessstrom wenigstens eine eigene und separate heiße Wärmetauscherseite in einem eigenen und separaten Wärmetauscher vorgesehen ist. Somit wird es möglich, jeden Wärmetauscher in jedem Verdampferstrang einzeln und spezifisch auf die vorhandene Wärmemenge in dem zugehörigen spezifischen Prozessstrom einzustellen. Mit anderen Worten ist es möglich, für den Verdampfungsvorgang das in flüssiger Form zugeführte Wasser über die Aufteilvorrichtung auf die beiden Verdampferstränge aufzuteilen. Dabei ist diese Aufteilung sowohl fest einstellbar als auch variierbar je nach Ausgestaltung der Verdampfervorrichtung.

[0011] Je nachdem wie aufgeteilt wird, führt dies dazu, dass ein erster Teil des flüssigen Wassers in den ersten Verdampferstrang und dort in die kalte Wärmetauscherseite des ersten Wärmetauschers gelangt. Eine zweite Menge des flüssigen Wassers wird im zweiten Verdampferstrang in die kalte Wärmetaucherseite des zweiten Wärmetauschers eingeführt. Um nun die gewünschte Verdampfungsfunktion zur Verfügung zu stellen, wird in dem jeweiligen Wärmetauscher Abwärme mittels Wärmeübertragung von einem jeweils vorhandenen heißen Prozessstrom des Brennstoffzellensystems übergeben. Auf diese Weise wird das Wasser in dem jeweiligen Verdampferstrang erhitzt und überschreitet insbesondere dessen Siedetemperatur, sodass das Wasser zumindest teilweise dampfförmig den jeweiligen Wärmetauscher verlässt. Das zumindest teilweise verdampfte Wasser wird in einem gemeinsamen Sammelbehälter zusammengeführt und kann von dort über den Abführabschnitt an den Brennstoffzellenstapel in gasförmiger Form weitergeführt werden. Dabei kann der Sammelbehälter sowohl direkt mit jedem einzelnen Verdampferstrang, aber auch mit einem den beiden Verdampfersträngen nachgelagerten Verbindungsabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung stehen. In einfachster Ausgestaltung handelt es sich bei dem Sammelbehälter um einen Rohrabschnitt, welcher die beiden Verdampferstränge wieder zusammenführt.

[0012] Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, kann nun für jeden Verdampferstrang und das spezifische heiße Prozessgas eine für diese Betriebssituation spezifisch optimierte Wärmeübertragungsstrategie zur Verfügung gestellt werden. Ist beispielsweise der heiße Prozessstrom für den ersten Verdampferstrang mit relativ weniger Wärme ausgestattet und der zweite heiße Prozessstrom für den zweiten Verdampferstrang relativ heiß, so kann z. B .durch ein kontrolliertes Aufteilen die Menge des Wassers in dem zweiten Verdampferstrang größer als im ersten Verdampferstrang gewählt werden. Insbesondere wird diese Aufteilung in quantitativer Weise erfolgen, sodass je nach vorhandener Wärmemenge in dem jeweiligen heißen Prozessstrom an diese vorhandene Wärmemenge angepasste Mengen an flüssigem Wasser in den je-

weiligen Verdampferstrang eingeführt werden.

[0013] Damit werden verschiedene Vorteile erzielbar. Zum einen ist es möglich, die Wärmemenge in jedem heißen Prozessabgas möglichst maximal auszunutzen und in das flüssige Wasser zum Verdampfen zu übertragen. Zum anderen wird sichergestellt, dass eine maximale Verdampfungsleistung zur Verfügung gestellt wird, also ein Erzeugen von überhitztem Dampf bei gleichzeitigem Uberbleiben von flüssigem Wasser unterbunden und vermieden wird. Insbesondere durch ein kontrolliertes Aufteilen, z. B .mit Hilfe einer Ventilvorrichtung, wird es also möglich, die beiden parallel ausgelegten Verdampferstränge intelligent und angepasst mit Wasser zur versorgen und auf diese Weise die Abkühlstrategie für die heißen Prozessabgase und die Verdampfungsstrategie für das Verdampfen des flüssigen Wassers miteinander zu kombinieren und zu optimieren. Grundsätzlich soll zwar überhitzter Dampf zur Verfügung gestellt werden, allerdings soll flüssiges Wasser unbedingt vermieden werden.

[0014] Selbst bei maximaler Ausnutzung der Abwärme in den heißen Prozessgasen kann es dazu kommen, dass diese nicht ausreicht, um die notwendige Wassermenge für einen aktuellen Betriebspunkt zu verdampfen. Daher ist es möglich, dass im Sammelbehälter eine Phasentrennung stattfindet, um flüssiges Wasser am Weiterführen in den Brennstoffzellenstapel zu hindern. Dieses verbliebene flüssige Wasser kann entweder abgelassen oder nachverdampft werden. Ein solches Nachverdampfen ist z. B. möglich, indem das flüssige Wasser in den Vorlauf zumindest eines der beiden Wärmetauscher rezirkuliert wird. Jedoch ist auch ein elektrisches Nachverdampfen mit einer Zusatzheizvorrichtung, wie sie später noch erläutert wird, im Sinne der vorliegenden Erfindung möglich. Insbesondere können zwangsgeführte Ströme vorgesehen sein, sodass z. B. Pumpvorrichtungen und/oder Regelvorrichtungen, die entsprechend geführten Flüssigkeitsmengen bzw. Gasmengen einstellen können. Eine erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung ist dabei insbesondere bei dem sogenannten SOEC-System eingesetzt.

[0015] Durch die erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung ist es insbesondere möglich, alle Abwärme wieder im System selbst zu verwenden. Dies ist für die Systemeffizienz wesentlich und von Vorteil, insbesondere dann, wenn nicht genug Wärme zur Verfügung steht, um die Bedarfe zu decken. Je besser die systeminterne Ausnutzung der Wärme, desto niedriger die zusätzliche Wärmezufuhr von extern und damit besser dann der Wirkungsgrad. Dies wird insbesondere durch die Erfindung erreicht.

[0016] Es ist weiter vorgesehen, dass bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung die Aufteilvorrichtung wenigstens eine Kontrollvorrichtung, insbesondere in Form wenigstens eines Ventilmittels aufweist, für eine qualitative und/oder eine quantitative Kontrolle eines Aufteilverhältnisses des Wassers auf die Verdampferstränge. Wie bereits einleitend erläutert worden ist, ist durch die erfindungsgemäße Aufteilmöglichkeit auf spezifische Wärmemengen in die einzelnen Verdampferstränge eine optimierbare Verdampfungsstrategie erzielbar. Sofern eine Kontrollvorrichtung vorgesehen ist, kann dies sowohl qualitativ als auch quantitativ erfolgen, sodass insbesondere sogar ein komplettes Absperren eines einzelnen Verdampferstrangs möglich wird. Bevorzugt sind Ventilvorrichtungen vorgesehen, die eine quantitative Kontrolle dieses Aufteilverhältnisses ermöglichen. Dabei sind einzelne Ventilmittel direkt vor den Wärmetauschern genauso denkbar, wie Mehrwegventile in der Aufteilvorrichtung. Die Anpassung der benötigen Wärmemengen in den einzelnen Verdampfersträngen an die Wärmemengen, welche in den einzelnen spezifischen Prozessströmen im Abgas enthalten sind, bringt die beschriebene Optimierungsmöglichkeit mit sich. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass der Dampfbedarf eines Brennstoffzellensystems selbstverständlich von dessen Betriebspunkt abhängt. Der Betriebspunkt eines Brennstoffzellensystems im Elektrolysebetrieb ist daher weiterhin insbesondere abhängig von der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung, welche z. B. beim Anschluss an ein regeneratives Energiesystem stark schwanken kann. Somit wir nicht nur die Verdampferleistung, sondern auch die Regelungsmöglichkeit bei schwankenden Betriebspunkten durch eine erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung bei einem Brennstoffzellensystem deutlich verbessert.

[0017] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der Sammelbehälter wenigstens eine Zusatzheizvorrichtung aufweist, für ein Verdampfen von flüssi-

gem Restwasser im Sammelbehälter. Wie ebenfalls bereits erläutert worden ist, kann es vorkommen, dass die gesamte Wärmemenge aller heißen Prozessströme nicht ausreicht, um die benötigte Dampfmenge in gasförmiger Phase zur Verfügung zu stellen. In einem solchen Fall gelangt flüssiges Restwasser in den Sammelbehälter. Um dieses nun ebenfalls in Dampf umzusetzen und dem Brennstoffzellenstapel für die Elektrolyse zur Verfügung zu stellen, kann hier eine Zusatzheizvorrichtung vorzugsweise direkt im Sammelbehälter, vorgesehen sein. Diese Zusatzheizvorrichtung ist schaltbar und ist entweder qualitativ und/oder quantitativ bei Bedarf zuschaltbar. Beispielsweise kann es sich bei der Zusatzheizvorrichtung um eine elektrische Zusatzheizvorrichtung handeln. Jedoch sind grundsätzlich auch zusätzliche Wärmetauscher denkbar, welche über andere Wärmequellen die gewünschte Verdampfungsfunktion als Zusatzheizvorrichtung zur Verfügung stellen. Weiter ist es auch möglich, durch Wasserablass und Rezirkulation in den Zuführabschnitt, eine zusätzliche Verdampfungsfunktion für das Restwasser zu gewährleisten.

[0018] Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher für einen Gegenstrombetrieb zwischen der jeweiligen kalten Wärmetauscherseite und der jeweiligen heißen Wärmetauscherseite ausgebildet sind. Vorzugsweise sind alle Wärmetauscher im Gegenstrombetrieb ausgelegt. Der Gegenstrombetrieb erlaubt eine höhere Effizienz in der Wärmeübertragung, Sodass die erfindungsgemäßen Vorteile mit höherer Effizienz erreicht werden können. Für eine besonders kompakte Bauweise sind die Wärmetauscher vorzugweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der Zuführabschnitt und/oder der Verdampferabschnitt mit ihrer Strömungsrichtung entgegen oder im Wesentlichen entgegen der Schwerkraftrichtung ausgerichtet sind. Mit anderen Worten strömt flüssiges Wasser vom Zuführabschnitt nach oben durch die Verdampferstränge hindurch. Dabei muss diese Ausrichtung nicht zwingend senkrecht sein, sondern es reicht aus, wenn die Schwerkraftrichtung winklig, insbesondere spitzwinklig gegen die Förderrichtung ausgerichtet ist. Dies führt dazu, dass vorzugsweise automatisch eine Phasentrennung im Verdampferabschnitt stattfindet, und entsprechend flüssiges Wasser so lange in den Verdampfersträngen verbleibt, bis es entweder durch die entsprechende Pumpwirkung in den Sammelbehälter geführt worden ist oder aber durch Einbringen der Wärme aus den heißen Prozessabgasen verdampft worden ist.

[0019] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher voneinander thermisch getrennt, insbesondere thermisch isoliert sind. Das Vermeiden von Querübertragung von Wärme zwischen den Wärmetauschern erlaubt es, den Regelungsbedarf bzw. den Kontrollbedarf zu reduzieren, sodass vereinfacht Einfluss auf eine optimierte Verdampfungsstrategie übernommen werden kann. Dadurch, dass unerwünschte Querströme von Wärme vermieden sind, ist ein vereinfachtes Regeln durch ein komplett thermisch getrenntes Temperaturmanagement der Verdampferstränge möglich.

[0020] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung im Zuführabschnitt, im Verdampferabschnitt, im Sammelbehälter und/oder im Abfuhrabschnitt wenigstens eine Sensorvorrichtung angeordnet ist, insbesondere mit Sensormitteln zur Bestimmung wenigstens eines der folgenden Parameter:

- Temperatur

- Druck

- Volumenstrom

- Flüssigkeitsstand im Sammelbehälter

[0021] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Dabei wird es nun möglich, mit den Sensormitteln die einzelnen Parameter in den einzelnen Strängen zu überwachen, sodass insbesondere das zugeführte Wasser, die zugeführte Dampfmenge, aber auch die heißen Prozessströme überwachbar sind. Die mit Hilfe der Sensormittel erfassten Parameter dienen dazu eine optimierte Kontrolle, entweder in regelnder oder aber in

steuernder Weise zur Verfügung zu stellen.

[0022] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung die Wärmetauscher identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Neben einer deutlichen Kostenreduktion und einer Verringerung der Komplexität der Verdampfervorrichtung wird auf diese Weise eine vereinfachte Kontrollmöglichkeit gegeben. Wie ebenfalls bereits erläutert worden ist, handelt es sich bei den Wärmetauschern vorzugweise um Plattenwärmetauscher. Unter einer identischen oder im Wesentlichen identischen Ausbildung ist dabei insbesondere eine thermisch identische Ausbildung zu verstehen, insbesondere in Bezug auf die übertragbare Wärme und/oder die übertragbare Wärme pro Zeiteinheit und/oder pro Flächeneinheit.

[0023] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der Abfuhrabschnitt mit Bezug auf die Schwerkraftrichtung oben am Sammelbehälter angeordnet ist. Insbesondere ist diese Anordnung oberhalb eines maximalen Flüssigkeitsstandes im Sammelbehälter vorgesehen. Damit kann der Sammelbehälter sozusagen zusätzlich als Phasentrennvorrichtung ausgebildet sein, da durch die Schwerkraftvorrichtung flüssiges Wasser in Richtung des Bodens des Sammelbehälters läuft und im Wesentlichen ausschließlich verdampftes Wasser über den Abfuhrabschnitt in Richtung des Brennstoffzellenstapels weitergeführt wird.

[0024] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Gasabschnitt und einem Luftabschnitt,

- einen Gaszuführabschnitt zum Zuführen von Gasabschnittszuführgas zu dem Gasabschnitt,

- einen Luftzuführabschnitt zum Zuführen von Luftabschnittszuführgas zum Luftabschnitt,

- einen Gasabführabschnitt zum Abführen von Gasabschnittsabgas, - einen Luftabführabschnitt zum Abführen von Luftabschnittsabgas.

[0025] Dabei ist im Luftzuführabschnitt eine Verdampfervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem bringt auf diese Weise die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung erläutert worden sind. Im Luftzuführabschnitt wird Luft geführt.

[0026] Weiter ist noch darauf hinzuweisen, dass auch das Gaszuführgas, sofern es eine eigene Wärmemenge enthält, selbstverständlich als heißer Prozessstrom verwendet werden kann, um eine weitere Wärmequelle zur Verfügung zu stellen.

[0027] Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann es vorteilhaft sein, wenn im Gasabführabschnitt, im Luftabführabschnitt und/oder im Gaszuführabschnitt eine zweite Kontrollvorrichtung für die Kontrolle des Volumenstroms zu jeweils einer heißen Wärmetauscherseite des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmtauschers angeordnet ist. Damit wird es möglich, auch die Wärmemenge einzustellen, welche auf der jeweiligen heißen Wärmetauscherseite zugeführt wird. Bei zu viel Wärme im jeweiligen Prozessstrom kann z. B. ein Bypass am jeweiligen Wärmetauscher vorbei zur Verfügung gestellt werden, um ein UÜberhitzen desselben zu vermeiden.

[0028] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahren für die Kontrolle eines Verdampfungsvorgangs mittels einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte:

- Überwachen eines Dampfbedarfs eines Brennstoffzellensystems,

- Zuführen von flüssigem Wasser mittels des Zuführabschnitts,

- Aufteilen des zugeführten Wassers auf die Verdampferstränge,

- Verdampfen des aufgeteilten Wassers mittels der Wärmetauscher,

- Auffangen des wenigstens teilweise verdampften Wassers im Sammelbehälter und Abführen von Wasserdampf mittels des Abführabschnitts.

[0029] Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung erläutert worden sind. Ziel ist dabei das Erzeugen von verdampftem Wasser.

[0030] Vorgesehen ist es, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei der quantitativen Aufteilung des zugeführten Wassers, die zur Verfügung stehende Wärmemenge auf der jewelligen heißen Wärmetauscherseite des jeweiligen Wärmetauschers berücksichtigt wird. Damit kann die Menge des zugeführten Wassers sozusagen an die maximale Verdampfungsleistung des jeweiligen heißen Prozessstroms angepasst werden, sodass die Verdampfungsstrategie optimiert wird.

[0031] Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für eine nicht ausreichende Wärmemenge auf den heißen Wärmetauscherseiten der Wärmetauscher ein Zusatzheizen im Sammelbehälter durchgeführt wird. Neben einem hohen Flüssigkeitsstand im Sammelbehälter kann auf diese Weise proaktiv die gewünschte Zusatzheizung eingeschaltet werden. Ziel ist hier, die komplette oder im Wesentlichen komplette zugeführte Wassermenge in dem dampfförmigen Zustand zu überführen.

[0032] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschreiben sind. Es zeigen schematisch:

[0033] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung,

[0034] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, [0035] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, [0036] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, [0037] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, [0038] Fig. 6 die Ausführungsform der Fig. 5 in seitlicher Ansicht, und

[0039] Fig. 7 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

[0040] Die Figur 1 zeigt schematisch eine besonders einfache Ausgestaltung einer Verdampfervorrichtung 10. Diese ist hier mit zwei parallelen Verdampfersträngen 50 und 60 ausgestattet, die zusammen den Verdampferabschnitt 30 bilden. Uber einen Zuführabschnitt 20 wird flüssiges Wasser zugeführt und über eine Aufteilvorrichtung 40 auf die beiden Verdampferstränge 50 und 60 aufgeteilt. Um qualitativ und/oder quantitativ die Menge an aufgeteiltem flüssigem Wasser zu regeln, ist eine Kontrollvorrichtung 42 mit Ventilmitteln 44 in den beiden Verdampfersträngen 50 und 60 angeordnet. Ventilmittel 44 sitzen dabei vor dem jeweiligen Wärmetauscher 52 und 62.

[0041] Wie der Figur 1 weiter zu entnehmen ist, wird das flüssige Wasser aus dem Zuführabschnitt 20 nun durch die kalten Wärmetauscherseiten KWT des ersten Wärmetauschers 52 und des zweiten Wärmetauschers 62 geführt. Insbesondere im Gegenstrombertrieb wird nun Wärme von heißen Prozessabgasen von der heißen Wärmetauscherseite HWT im ersten Wärmetauscher 52 und im zweiten Wärmetauscher 62 an das flüssige Wasser übergeben und dieses zumindest teilweise verdampft. Uber einen Abführabschnitt 80, wird hier ein Abführen der verdampften Teile des zugeführten Wassers erfolgen. Zum Sammeln des wenigstens teilweise verdampften Wassers ist hier als Sammelbehälter 70 ein gemeinsamer Rohrabschnitt des Abführabschnitts 80 vorgesehen.

[0042] Die Figur 2 zeigt schematisch eine Ergänzung, bei welcher im Abfuhrabschnitt 80 eine Zusatzheizvorrichtung 72 angeordnet ist. Hier ist in gleicher Weise eine Funktionsweise gegeben, wie sie mit Bezug auf Figur 1 erläutert worden ist. Ebenfalls wie in Figur 1 ist die Förderrichtung des flüssigen Wassers entgegen einer Schwerkraftrichtung SR ausgerichtet.

[0043] Die Figur 3 zeigt, dass im Nachgang zu dem Verdampferabschnitt 30 auch ein Sammelbehälter 70 mit vergrößerten Ausmaßen vorgesehen sein kann, welcher sozusagen in den Abführabschnitt 80 integriert ist. In einem solchen Fall bildet der Sammelbehälter neben dem Zusammenführen der verdampften Wassermengen eine Sammelmöglichkeit für verbliebenes flüssiges Wasser aus.

[0044] Gemäß der Figur 4 ist in dem Sammelbehälter 70 eine Zusatzheizvorrichtung 72, z. B. als elektrischer Zusatzheizer, integriert. Auch ist in der Figur 4 dargestellt, wie Sensorvorrichtungen 90 die Prozessströme erfassen können, um die entsprechende Wärmemenge für eine Optimierung der Verdampfungsstrategie zu ermitteln. Insbesondere werden hier die Temperaturen und/ oder die Volumenströme der jeweiligen Prozessströme erfasst.

[0045] Die Figuren 5 und 6 zeigen schematisch eine Konstruktionsweise einer solchen Verdampfervorrichtung 10. Hier sind zwei parallele Wärmetauscher 52 und 62 vorgesehen, welche im Verdampferabschnitt 30 den ersten Verdampferstrang 50 und den zweiten Verdampferstrang 60 ausbilden. Die Führung des flüssigen Wassers erfolgt dabei entgegen der Schwerkraftrichtung SR von unten nach oben, abschließend in einen Sammelbehälter 70 hinein. In diesem befindet sich eine Zusatzheizvorrichtung 72, sodass ein Nachverdampfen von flüssigem Restwasser erfolgen kann, um sicherzustellen, dass am Abfuhrabschnitt 80 ausschließlich, oder im Wesentlichen ausschließlich verdampftes Wasser vorliegt. Auch hier ist in dem Zuführabschnitt 20 nachgelagert eine Kontrollvorrichtung 42 mit dem bereits erläuterten Ventilmittel 44 vorgesehen.

[0046] Die Figur 6 zeigt die Ausführungsform der Figur 5 im seitlichen Querschnitt, in welchem nochmals gut der Gegenstrombetrieb von links oben nach rechts unten für die heißen Prozessabgase erkennbar wird. Auch hier ist der Bezug entgegen der Schwerkraftrichtung SR für das zu verdampfende Wasser dargestellt.

[0047] Die Figur 7 zeigt schematisch, wie eine erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung 10 in ein Brennstoffzellensystem 100 integriert sein kann. Hier bildet die Verdampfervorrichtung 10 einen Teil des Luftzuführabschnitts 140 aus. Als heiße Prozessströme sind hier die Abgase des Brennstoffzellenstapels 110 und hier insbesondere aus dem Gasabführabschnitt 122 und dem Luftabführabschnitt 142 vorgesehen.

[0048] Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Verdampfervorrichtung

20 Zuführabschnitt

30 Verdampferabschnitt

40 Aufteilvorrichtung

42 Kontrollvorrichtung

44 Ventilmittel

50 erster Verdampferstrang 52 erster Wärmetauscher

60 zweiter Verdampferstrang 62 zweiter Wärmetauscher 70 Sammelbehälter

72 Zusatzheizvorrichtung

80 Abfuhrabschnitt

90 Sensorvorrichtung

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 112 Gasabschnitt

114 Luftabschnitt

120 Gaszuführabschnitt

122 Gasabführabschnitt

140 Luftzuführabschnitt

142 Luftabführabschnitt

SR Schwerkraftrichtung

KWT kalte Wärmetauscherseite HWT heiße Wärmetauscherseite

Claims

Patentansprüche

1. Verdampfervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Zuführabschnitt (20) für die Zufuhr von Wasser, einen Verdampferabschnitt (30) mit einer Aufteilvorrichtung (40) für eine Aufteilung des zugeführten Wassers vom Zuführabschnitt (30) auf einen ersten Verdampferstrang (50) mit einer kalten Wärmetauscherseite (KWT) eines ersten Wärmetauschers (52) und wenigstens einen zweiten Verdampferstrang (60) mit einer kalten Wärmetauscherseite (KWT) eines zweiten Wärmetauschers (62), weiter aufweisend einen Sammelbehälter (70) in fluidkommunizierender Verbindung mit dem ersten Verdampferstrang (50) und dem wenigstens einen zweiten Verdampferstrang (60) zum Auffangen von wenigstens teilweise verdampftem Wasser und einen Abfuhrabschnitt (80) zur Abfuhr von Wasserdampf aus dem Sammelbehälter (70), wobei der erste Wärmetauscher (52) eine heiße Wärmetauscherseite (HWT) und der zweite Wärmetauscher (62) eine heiße Wärmetauscherseite (HWT) aufweisen für die Führung von unterschiedlichen, heißen Prozessströmen des Brennstoffzellensystems (100) dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilvorrichtung (40) wenigstens eine Kontrollvorrichtung (42) aufweist für eine qualitative und/oder eine quantitative Kontrolle eines Aufteilverhältnisses des Wassers auf die Verdampferstränge (50, 60).

2. Verdampfervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kontrollvorrichtung (42) in Form eines Ventilmittels (44) ausgebildet ist.

3. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbehälter (70) wenigstens eine Zusatzheizvorrichtung (72) aufweist für ein Verdampfen von flüssigem Restwasser im Sammelbehälter (70).

4. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (52) und/oder der zweite Wärmetauscher (62) für einen Gegenstrombetrieb zwischen der jeweiligen kalten Wärmetauscherseite (KWT) und der jeweiligen heißen Wärmetauscherseite (HWT) ausgebildet sind.

5. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführabschnitt (20) und/oder der Verdampferabschnitt (30) mit ihrer Strömungsrichtung entgegen oder im Wesentlichen entgegen der Schwerkraftrichtung (SR) ausgerichtet sind.

6. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (52) und der zweite Wärmetauscher (62) voneinander thermisch getrennt, insbesondere thermisch isoliert sind.

7. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuführabschnitt (20), im Verdampferabschnitt (30), im Sammelbehälter (70) und/oder im Abfuhrabschnitt (80) wenigstens eine Sensorvorrichtung (90) angeordnet ist, insbesondere mit Sensormitteln zur Bestimmung wenigstens eines der folgenden Parameter:

- Temperatur

- Druck

- Volumenstrom

- Flüssigkeitsstand im Sammelbehälter (70)

8. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (52, 62) identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.

9. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfuhrabschnitt (80) mit Bezug auf die Schwerkraftrichtung (SR) oben am Sammelbehälter (70) angeordnet ist.

10. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend - zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Gasabschnitt (112) und einem Luftabschnitt (114), - einen Gaszuführabschnitt (120) zum Zuführen von Gasabschnittszuführgas zu dem Gasabschnitt (112), - einen Luftzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Luftabschnittszuführgas zum Luftabschnitt (114), - einen Gasabführabschnitt (122) zum Abführen von Gasabschnittsabgas, - einen Luftabführabschnitt (142) zum Abführen von Luftabschnittsabgas, wobei im Luftzuführabschnitt eine Verdampfervorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet ist.

11. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasabführabschnitt (122), im Luftabführabschnitt (142) und/oder im Gaszuführabschnitt (120) eine zweite Kontrollvorrichtung für die Kontrolle des Volumenstroms zu jeweils einer heißen Wärmetauscherseite (HWT) des ersten Wärmetauschers (52) und/oder des zweiten Wärmetauschers (62) angeordnet ist.

12. Verfahren für die Kontrolle eines Verdampfungsvorgangs mittels einer Verdampfervorrich-

tung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend die folgenden Schritte:

- Überwachen eines Dampfbedarfs eines Brennstoffzellensystems (100),

- Zuführen von flüssigem Wasser mittels des Zuführabschnitts (20),

- Aufteilen des zugeführten Wassers auf die Verdampferstränge (50, 60),

- Verdampfen des aufgeteilten Wassers mittels der Wärmetauscher (52, 62),

- Auffangen des wenigstens teilweise verdampften Wassers im Sammelbehälter (70)

und

- Abführen von Wasserdampf mittels des Abführabschnitts (80) dadurch gekennzeichnet, dass bei der quantitativen Aufteilung des zugeführten Wassers die zur Verfügung stehende Wärmemenge auf der jeweiligen heißen Wärmetauscherseite (HWT) des jeweiligen Wärmetauschers (52, 62) berücksichtigt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für eine nicht ausreichende Wärmemenge auf den heißen Wärmetauscherseiten (HWT) der Wärmetauscher (52, 62) ein Zusatzheizen im Sammelbehälter (70) durchgeführt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen