DE10003275A1 - Verfahren zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs - Google Patents

Verfahren zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs

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Abstract

Ein Verfahren dient zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoff/Wasser-Gemischs, wobei der Brennstoff insbesondere Methanol ist, zur Versorgung eines Gaserzeugungssystems einer Brennstoffzellen-Anlage. Dabei werden Abgase der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas zur Erzeugung der hierfür erforderlichen thermischen Energie katalytisch verbrannt. Der Brennstoff wird in den Volumenstrom aus dem sauerstoffhaltigen Gas und den Abgasen der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems in Strömungsrichtung vor der katalytischen Verbrennung zudosiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff/Wasser-Gemischs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des oben genannten Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik sind Wärmetauscher, welche zum Verdampfen und/oder Überhitzen von Medien geeignet sind, bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 44 26 692 C1 einen Wärmetauscher, welcher aus übereinan­ der gestapelten mit Reaktandenkanälen versehenen Foli­ en aufgebaut ist.
Hierbei wird ein Reaktand, welcher in einem ersten Bereich des Wärmetauschers strömt, von einem in einem zweiten in wärmeleitender Verbindung mit dem ersten Bereich stehenden Bereich des Wärmetauschers strömen­ den Wärmeträgermedium erhitzt und/oder verdampft.
Die DE 196 39 150 C2 zeigt eine zentrale Heizvorrich­ tung, in welcher eine katalytische Oxydation eines Brennmittels stattfindet. Die dabei erzeugte thermi­ sche Energie kann dann beispielsweise dem Wärmeträger zugeführt und so zum Betreiben des oben genannten Wär­ metauschers genutzt werden. Bei dem eingesetzten Brennmittel kann es sich um ein beliebiges gasförmiges oder flüssiges Medium handeln, welches sich kataly­ tisch oxydieren läßt. Als Beispiele für das Brennmit­ tel nennt die oben genannte Schrift den Ausgangsstoff für die Gaserzeugung, in diesem Fall Methanol, das in der Gaserzeugung erzeugte Produktgas oder ein wasser­ stoffhaltiges Abgas der Brennstoffzelle.
Wird ein derartiger Verdampfer nun in ein entsprechen­ des Gaserzeugungssystem zur Versorgung einer Brenn­ stoffzellen-Anlage eingesetzt, so ergibt sich insbe­ sondere bei Lastsprüngen ein sehr schlechtes dynami­ sches Ansprechverhalten, da der Verdampfer das erste Glied der Reaktionskette darstellt, während in dem Heizbereich üblicherweise mit dem Abgas der Brenn­ stoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems die ther­ mische Energie erzeugt wird, kann der Verdampfer dem geforderten Lastsprung nur zögernd folgen.
Zwischen dem Verdampfer und der letztendlich die ge­ forderte Leistung erzeugenden Brennstoffzelle liegen mehrere Reaktionsräume des Gaserzeugungssystems, wel­ che aufgrund ihres Aufbaus jeweils unterschiedliche Ansprechzeiten haben, und welche zusammen mit der Brennstoffzelle die für die Erzeugung der thermischen Energie erforderlichen Abgase liefern. Aufgrund dieser Rückkopplung zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Verbrennungsbereich kommt es also zu dem sehr unbe­ friedigenden dynamischen Ansprechverhalten des Gesamt­ systems, was sich insbesondere bei einem mobilen Ein­ satz des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahr­ zeug als sehr nachteilig erweist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff/Wasser-Gemischs zur Versorgung eines Gaserzeugungssystem einer Brennstoffzellen-Anla­ ge zu schaffen, bei dem ein sehr schnelles dynamisches Ansprechverhalten zu erzielen ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst.
Dadurch, daß ein Teil des Brennstoffs selbst in den Volumenstrom aus dem sauerstoffhaltigen Gas, bei dem es sich insbesondere um Luft, jedoch auch um sauer­ stoffhaltiges Kathodenabgas der Brennstoffzelle oder einem Gemisch der beiden handeln kann, und den Abgasen der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems zudosiert wird, läßt sich der thermische Energieinhalt des Volumenstroms mit einem schnellen dynamischen An­ sprechverhalten erhöhen, wodurch sich der Vorteil er­ gibt, daß auch die katalytische Verbrennung sehr schnell eine höhere thermische Energie zu liefern ver­ mag. Dadurch ist ein wenigstens annähernd verzöge­ rungsfreies Verdampfen und/oder Überhitzen des Brenn­ stoffs oder des Brennstoff/Wasser-Gemischs möglich, wodurch auf eine erhöhte Leistungsanforderung sehr schnell reagiert werden kann. In besonders vorteilhaf­ ter Weise steht dem Gaserzeugungssystem damit, ohne nennenswerte zeitliche Verzögerung, die zur Erzeugung der geforderten erhöhten Leistung benötigte Menge an verdampften und/oder überhitzten Brennstoff oder Brennstoff/Wasser-Gemisch zur Verfügung.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Zudo­ sierung, welche in Abhängigkeit der erforderlichen Wärmemenge und damit der von dem Brennstoffzellensy­ stem geforderten elektrischen Leistung erfolgen kann, vor der eigentlichen katalytischen Verbrennung statt­ findet und somit der Verbrennung und dem Raum, in wel­ chem die Verbrennung stattfindet, keine weitere ther­ mische Energie für die Feinverteilung und/oder für das Verdampfen des zugefügten zusätzlichen Brennstoffs entzieht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Brennstoff beim Einbringen in den Volumenstrom aus dem sauerstoffhaltigen Gas und den Abgasen der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeu­ gungssystems zerstäubt. Die für die Zerstäubung erfor­ derliche Energie läßt sich dabei als mechanische Ener­ gie aus dem Druck bzw. der Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms und des einzubringenden Brennstoffs entnehmen. Ein in feinen Partikel in dem Volumenstrom verteilter Brennstoff reicht nämlich aus, die Funktion der katalytischen Verbrennung sicherzustellen.
In der oben genannten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung hierzu eine gasunterstützte Düse auf, welche in den Volumenstrom durch eine Verengung die Strömungsgeschwindigkeit anhebt und in diesem Be­ reich den Brennstoff in den Volumenstrom einbringt. Durch die Stömungsenergie des Volumenstroms wird der Brennstoff dabei in demselben zerstäubt.
Den Reaktionsraum für die katalytische Verbrennung erreicht damit ein Gemisch aus den erforderlichen Ga­ sen und dem zusätzlichen fein verteilten Brennstoff, welches ohne weitere nennenswerte Aufnahme von thermi­ scher Energie katalytisch verbrannt werden kann. Damit ergibt sich der Vorteil, daß sämtliche bei der Ver­ brennung entstehende thermische Energie unmittelbar zum Verdampfen und/oder Überhitzen des Brennstoffs oder des Brennstoff/Wasser-Gemischs zur Verfügung steht und die Brennstoffzellen-Anlage somit sehr schnell auf einen geforderten Lastsprung zu reagieren vermag.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und mögliche Vorrichtungen zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die einzige beigefügte Figur zeigt einen entsprechen­ den Wärmetauscher 1, an welchen sich ein prinzipmäßig angedeutetes Gaserzeugungssystem 2 sowie eine Brenn­ stoffzelle 3 anschließt. Der Wärmetauscher 1 weist dabei zwei Bereiche 1a, 1b auf, welche in wärmeleiten­ dem Kontakt zueinander stehen, für die jeweils durch­ strömenden Fluide jedoch gegeneinander abgedichtet sind.
Der Bereich 1b des Wärmetauschers 1 weist dabei eine prinzipmäßig angedeutete katalytische Beschichtung 4, eine katalytische Füllung oder dergleichen auf, welche für eine katalytische Verbrennung der zugeführten Stoffe benötigt wird. Die bei der katalytischen Ver­ brennung in dem Bereich 1b des Wärmetauschers 1 ent­ stehende thermische Energie gelangt dann in den ande­ ren Bereich 1a des Wärmetauschers 1. Ein dem Bereich 1a zugeführter flüssiger Brennstoff oder ein flüssiges Brennstoff-/Wasser-Gemisch, im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel soll es sich dabei um ein Metha­ nol/Wasser-Gemisch (CH3OH + H2O) handeln, wird durch die aus der katalytischen Verbrennung stammende ther­ mische Energie in dem Bereich 1a des Wärmetauschers 1 verdampft.
Wenn die thermische Energie ausreicht, kommt es in dem Bereich 1a des Wärmetauschers 1 außerdem zu einem Überhitzen des dampfförmigen bzw. gasförmigen Gemischs aus Wasser und Methanol. Dieses Gemisch aus Wasser und Methanol gelangt dann in das prinzipmäßig angedeutete, in seiner Funktionsweise an sich bekannte Gaserzeu­ gungssystem 2, und gegebenenfalls nach einer optiona­ len Gasreinigungsstufe (nicht dargestellt) in die Brennstoffzelle 3.
Da die Funktionsweise dieser Komponenten 2, 3 an sich bekannt und für die Erfindung von keinerlei weiterer Bedeutung ist, soll darauf nicht näher eingegangen werden.
Die Brennstoffzelle 3 gibt dann die geforderte Lei­ stung P in Form von elektrischer Leistung ab. In bei­ den Komponenten 2, 3, überwiegend jedoch in einen Anodenraum der Brennstoffzelle 3, fallen Abgase an, welche brennbare Reststoffe, wie Restmethanol oder Restwasserstoff, aufweisen. Diese Abgase gelangen ge­ mäß den gestrichelt dargestellten Pfeilen zumindest teilweise zu einer Leitung 5, über welche sie wieder dem Bereich 1b des Wärmetauschers 1 zur katalytischen Verbrennung zugeführt werden können.
Wird nun schlagartig eine höhere Leistung P von der Brennstoffzelle 3 gefordert, so muß selbstverständlich auch die Menge an in dem Wärmetauscher 1 verdampftem Methanol/Wasser-Gemisch schnellstmöglich erhöht wer­ den.
Für die reibungslose Funktion der gesamten Anlage ist es dabei erforderlich, daß diese zusätzlich zugeführte Menge an Methanol/Wasser-Gemisch wenigstens annähernd verzögerungsfrei verdampft wird.
Nun stellt sich allerdings das Problem, daß zur Erzeu­ gung der thermischen Energie für die Verdampfung über­ wiegend die Abgase der Brennstoffzelle 3 und des Ga­ serzeugungssystems 2 genutzt werden. Da zum Zeitpunkt der erhöhten Leistungsanforderung die Menge an Abgas jedoch noch nicht erhöht worden ist, weil noch keine erhöhte Dampfmenge zur Verfügung steht, kommt es auf­ grund dieser Rückkopplung zu einer zeitlichen Verzöge­ rung bei der Verdampfung des Methanol/Wasser-Gemischs und damit zu einer zeitlichen Verzögerung zwischen der Leistungsanforderung und der tatsächlich möglichen Abgabe der geforderten Leistung P durch die Brenn­ stoffzelle 3.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß über ein Lei­ tungselement 6 der Brennstoff Methanol (CH3OH) in sei­ ner flüssigen Form dem Volumenstrom aus den Abgasen des Gaserzeugungssystems 2 und/oder der Brennstoffzel­ le 3 zugeführt wird.
Zur Verbesserung der Verbrennung sind diese Abgase zuvor bereits mit über ein Anschlußelement 7 einströ­ mendem sauerstoffhaltigen Gas (O2), hier insbesondere Luft oder sauerstoffhaltigem Abgas eines Anodenraums der Brennstoffzelle 3, vermischt worden. Dieser Volu­ menstrom nimmt nun den in Abhängigkeit der geforderten Leistung P der Brennstoffzelle 3 zudosierbaren flüssi­ gen Brennstoff aus dem Leitungselement 6 auf. Das so entstandene Gemisch strömt in den Bereich 1b des Wär­ metauschers 1 und wird dort katalytisch verbrannt.
Dabei ist es wichtig, daß in den Bereich 1b bereits ein gleichmäßig verteiltes Gemisch aus den Abgasen, der Luft und dem Methanol eintritt, um für die Vermi­ schung und/oder Verdampfung der einzelnen Komponenten in dem Volumenstrom in dem Bereich 1b des Wärmetau­ schers 1 keine thermische Energie zu entziehen, welche für die Verdampfung des Methanol/Wasser-Gemischs in dem Bereich 1b des Wärmetauschers 1 genutzt werden könnte.
Um das über das Leitungselement 6 zugefügte flüssige Methanol in dem Volumenstrom möglichst gleichmäßig zu verteilen, wird daher eine gasunterstützte Düse 8 ein­ gesetzt, welche die Strömungsenergie des Volumenstroms zur Zerstäubung des flüssigen Methanols nutzt.
Dazu weist der Bereich, in welchem das Leitungselement 6 in die Leitung 5 mündet, eine Verengung 9 auf, wel­ che aufgrund des Kontinuitätsgesetzes eine beschleu­ nigte Strömung, also eine höhere Strömungsgeschwindig­ keit, in dem Bereich der Verengung 9 erzeugt. Das über das Leitungselement 6 zugeführte Methanol wird dabei von dem das Leitungselement 6 durchströmenden Volumen­ strom aufgenommen und in diesem zerstäubt.
Die Verengung 9 kann dabei in der Art einer Venturi- Düse ausgebildet sein, wie dies im Ausführungsbeispiel prinzipmäßig angedeutet ist, sie kann jedoch auch durch ein in die Leitung 5 ragendes lanzenartiges Ende des Leitungselements 6 ausgebildet sein (nicht darge­ stellt).
Die Dosierung des Methanols kann dabei über eine Dros­ seleinrichtung 10 in dem Leitungselement 6 oder über eine entsprechende, regelbare Fördereinrichtung (nicht dargestellt) erfolgen. Dabei wird jeweils der durch das Leitungselement 6 strömende Volumenstrom des flüs­ sigen Methanols in Abhängigkeit der von der Brenn­ stoffzelle 3 geforderten Leistung P gesteuert bzw. geregelt.
Vergleichbares wie für das flüssige Methanol gilt auch für die Luft, welche über das Anschlußelement 7 in die Leitung 5 gelangt. Auch hier kann optional eine Veren­ gung 9' ausgebildet sein, welche in der einzigen bei­ liegenden Figur gestrichelt angedeutet ist. Die Wir­ kungsweise der Verengung 9' ist dabei ähnlich wie die Wirkungsweise der Verengung 9 bei der Zufuhr des flüs­ sigen Methanols, nur daß bei der Verengung 9' zwei gasförmige Medien miteinander vermischt werden. Auch die Luft, welche über das Anschlußelement 7 der Lei­ tung 5 zugeführt wird, kann dabei in Abhängigkeit der von der Brennstoffzelle 3 geforderten Leistung und damit der in dem Wärmetauscher 1 erforderlichen ther­ mischen Energie gesteuert bzw. geregelt werden. Dabei bietet es sich an, in dem Anschlußelement 7 eine Drosselklappe 11 oder dergleichen einzusetzen, um den Vo­ lumenstrom der Luft beeinflussen zu können.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff/Wasser-Gemischs, wobei der Brennstoff insbesondere Methanol ist, zur Versorgung eines Gaserzeugungssystems einer Brennstoffzellen-Anlage, wobei Abgase der Brenn­ stoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems zu­ sammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas zur Erzeu­ gung der hierfür erforderlichen thermischen Ener­ gie katalytisch verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in den Volumenstrom aus dem sauer­ stoffhaltigen Gas und den Abgasen der Brennstoff­ zelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) in Strömungsrichtung vor der katalytischen Verbren­ nung zudosiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff mittels einer gasunterstützten Düse in dem Volumenstrom aus dem sauerstoffhaltigen Gas und den Abgasen der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) zerstäubt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Brennstoffs sowie die Menge an in dem Volumenstrom enthaltenem sauerstoffhaltigen Gas in Abhängigkeit der für die Verdampfung erfor­ derlichen thermischen Energie dem Volumenstrom der Abgase der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaser­ zeugungssystems (2) zudosiert wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Wasser/Brennstoff-Gemischs nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei ein Wärmetauscher wenigstens zwei voneinander getrennte Bereiche aufweist, welche in wärmeleitender Verbindung zu­ einander stehen, und wobei in dem ersten Bereich der Brennstoff oder das Brennstoff/Wasser-Gemisch verdampft und/oder überhitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich einen Katalysator (4) für die katalytische Verbrennung aufweist, und daß zur Zu­ fuhr der Abgase der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) zur katalytischen Verbrennung eine Leitung (5) vorgesehen ist, wobei die Leitung (5) in Strömungsrichtung der zugeführ­ ten Abgase der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) vor dem Wärmetauscher (1) eine Verengung (9) aufweist, in deren Bereich der Brennstoff über ein Leitungselement (6) zuführbar ist, und wobei die Leitung (5) in Strömungsrich­ tung Abgase der Brennstoffzelle und/oder des Gas­ erzeugungssystems vor der Verengung (9) ein An­ schlußelement (7) aufweist, durch welches das sau­ erstoffhaltige Gas zuführbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungselement (6) eine Einrichtung (10) zur Steuerung oder Regelung des sie durchströmenden Brennstoff-Volumenstroms aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Verengung (9) in der Art einer Venturi-Düse ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungselement (6) als eine Art Lanze ausge­ bildet ist, welche im Bereich der Verengung (9) in die Leitung (5) ragt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement (7) eine Drosseleinrichtung (11) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement (7) im Bereich einer weiteren Verengung (9') in die Leitung (5) mündet.
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