DE10015657A1 - Reformierungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reformierungsvorrichtung, insbesondere für Brennstoffzellensysteme. Die Reformierungsvorrichtung weist eine Dosiervorrichtung, einen Reformierungsreaktor und einen Reformatspeicher auf. Im Betrieb der Reformierungsvorrichtung wird mittels des Reformierungsreaktors ein Reformat erzeugt, das im Reformatspeicher gespeichert und beim Kaltstart oder bei erhöhtem Leistungsbedarf dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reformierungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Reformierungsvorrichtung nach den Oberbegriffen der An­ sprüche 18 und 19.

Eine Möglichkeit, Wasserstoff für die Nutzung in einem Brenn­ stoffzellensystem bereitzustellen ist die Reformierung von Kohlenwasserstoffverbindungen wie z. B. Methanol. Ein wesentli­ cher Punkt hierbei, insbesondere für die Anwendung in Fahrzeu­ gen, ist die Zeit, die benötigt wird, um die Reformierungsvor­ richtung auf das notwendige Temperaturniveau zu bringen und somit Wasserstoff für die Brennstoffzelle bereitstellen zu können. Bis jetzt wird zur Bereitstellung der Wärme für den Aufheizvorgang meist die Oxidation eines Brennstoffs einge­ setzt. In der Regel ist dies die Oxidation der zur Reformie­ rung genutzten Kohlenwasserstoffverbindung.

Problematisch bei der Oxidation eines flüssigen Brennmittels während des Kaltstarts ist, einen vollständigen Umsatz der Kohlenwasserstoffe sicherzustellen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Emissionen während des Kaltstarts wichtig. Weiterhin hat man bei Zugabe von flüssigen Brennstoffen mit Ungleichverteilungen und Auskondensationen zu rechnen, so daß die dosierbare Menge und somit die erbringbare Wärmemenge begrenzt ist. Als Folge ergibt sich eine relativ lange Zeit, bis das System seine Betriebstemperatur erreicht hat.

Aus der Patentschrift US-PS 5.686.196 ist ein Wasserstoffspei­ cher zur Speicherung von Wasserstoff bekannt, der während ei­ nes vorausgegangenen Betriebszyklus des Brennstoffzellensy­ stems erzeugt wird. Dieser Wasserstoff wird dem brennstoffhal­ tigen Medium zur Entschwefelung, insbesondere in der Start- und Stoppphase, zugeführt. Allerdings ist das Abscheiden des Wasserstoffs aus dem Reformat relativ aufwendig.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Reformierungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die das Kaltstartverhalten eines Brennstoffzellensystems auf eine kostengünstige und zuverlässige Art und Weise verbessert und seine Emissionen verringert. Weiterhin sollen auch Verbesse­ rungen bei Lastwechseln des Brennstoffzellensystems erzielbar sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Reformierungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb ei­ ner Reformierungsvorrichtung mit den Merkmalen der Ansprü­ che 18 und 19 gelöst.

Durch den Reformatspeicher läßt sich das Reformat zwischen­ speichern und bei Bedarf dem Brennstoffzellensystem bzw. der Reformierungsvorrichtung zuleiten. So steht hochreaktives Re­ format immer zum gewünschten Zeitpunkt zur Verfügung und es entfallen vor allem die negativen Erscheinungen in der Kalt­ startphase.

Dazu ist es zweckmäßig, den Reformatspeicher mit Mitteln für den Ablaß von Reformat und einer Steuerung für diese Mittel zu versehen, die dafür sorgt, daß das Reformat in der Kaltstart­ phase (und/oder im Normalbetrieb) aus dem Reformatspeicher ab­ gegeben wird.

Grundsätzlich lassen sich Reformierungsreaktor und Refor­ matspeicher als getrennte Einheiten aufbauen. Dies hat den Vorteil, daß man auf bewährte Bauteile zurückgreifen kann.

Alternativ kann man Reformierungsreaktor und Reformatspeicher aber auch als eine integrierte Vorrichtung ausführen. Dies empfiehlt sich besonders, wenn der Reformierungsreaktor so ausgebildet ist, daß er lediglich den Reformatspeicher füllt. Dann läßt sich die Reformierungsreaktion auch gleich im Refor­ matspeicher durchführen. Dazu ist in diesem vorzugsweise ein dafür übliches Katalysatormaterial angeordnet, das nach er­ folgter Reformierungsreaktion aus dem Reformatspeicher ent­ fernt und/oder funktional von dem Reformat entkoppelt werden kann.

Als Reformatspeicher bietet sich vorzugsweise ein Hochdruckre­ formatspeicher für den Kaltstart an. So lassen sich ausrei­ chende Mengen von Reformat auf kleinstem Raum speichern.

Die Beheizung der Reformierungsvorrichtung kann über Restwärme der Reformierungsvorrichtung oder des Brennstoffzellensystems, über die Nutzung von überschüssiger Energie aus der Reformie­ rungsvorrichtung oder dem Brennstoffzellensystem (z. B. bei Lastsprüngen), über die Nutzung von Bremsenergie eines mit dem Brennstoffzellensystem betriebenen Fahrzeugs oder über die thermische Kopplung an eine andere Komponente der Reformie­ rungsvorrichtung oder des Brennstoffzellensystems erfolgen. Eine solche Komponente kann etwa ein Hauptreformierungsreak­ tor, ein Verdampfer, ein katalytischer Brenner, eine Kohlenmonoxidoxidationsvorrichtung oder eine Rohrleitung sein. Selbstverständlich kann eine Beheizung des Reformierungsreak­ tors auch elektrisch erfolgen.

Die Dosiervorrichtung läßt sich aktiv als Pumpensystem oder passiv unter Ausnutzung der Schwerkraft bzw. von Kapillarkräf­ ten realisieren.

Weiterhin kann eine Wasserstoffabsonderungsvorrichtung im Re­ formatspeicher angeordnet sein. Dadurch läßt sich das Reformat in reinen Wasserstoff, der der Brennstoffzelle zugeführt wird, und ein Restmedium aufspalten, das einem katalytischem Brenner zugeführt wird. Die Wasserstoffabsonderungsvorrichtung ist vorzugsweise eine Membran. Deren Anordnung im Hochdruckrefor­ matspeicher hat den Vorteil, daß dort bereits der für die Mem­ branreinigung erforderliche Druck herrscht.

Insbesondere wenn der Reformierungsreaktor für den Refor­ matspeicher in diesen integriert ist oder wenn er relativ klein ausgeführt ist, um nur den Reformatspeicher zu beschic­ ken, ist es vorteilhaft, wenn die Reformierungsvorrichtung ne­ ben dem Reformierungsreaktor für den Reformatspeicher einen Hauptreformierungsreaktor für den laufenden Betrieb des Brenn­ stoffzellensystems aufweist. Der Reformierungsreaktor für den Reformatspeicher wird dann zu einem Nebenreformierungsreaktor.

Vorzugsweise ist der Reformatspeicher in einem kalten Bereich der Reformierungsvorrichtung bzw. des Brennstoffzellensystems angeordnet. Dadurch läßt sich ein Druckverlust im Refor­ matspeicher beim Abkühlen der Reformierungsvorrichtung bzw. des Brennstoffzellensystems verhindern.

Zusätzlich kann das im Reformationsreaktor erzeugte Reformat über einen Wärmetauscher geleitet werden, um das Reformat vor der Speicherung abzukühlen.

Im Betrieb der Reformierungsvorrichtung wird zunächst mittels eines Reformierungsreaktors ein Reformat erzeugt, das dann im Reformatspeicher gespeichert wird. Dieses Reformat wird schließlich der Brennstoffzelle bzw. einem katalytischen Bren­ ner beim Kaltstart des Brennstoffzellensystems oder bei erhöh­ tem Leistungsbedarf, etwa beim Beschleunigen, als sogenannter Booster zugeführt.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer Reformierungs­ vorrichtung mit aktiver Dosiervorrichtung.

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung einer Reformierungs­ vorrichtung mit passiver Dosiervorrichtung.

In Fig. 1 erkennt man eine Dosiervorrichtung in Form eines Pumpensystems 1, mit deren Hilfe ein Wasser-/Methanolgemisch einem gekoppelten Verdampfer und Reformierungsreaktor 2 zuge­ führt wird. Alternativ können Verdampfer und Reformierungsre­ aktor auch einzeln aufgebaut sein. Der Reformierungsreaktor 2 steht in thermischem Kontakt mit einem heißen Rohr 3, das die für die Reformierungsreaktion erforderliche Wärme liefert. Das Reformat wird über eine separate Leitung dem Reformatspei­ cher 4 zugeleitet. Der Reformatspeicher 4 ist z. B. ein Druck­ behälter oder Metallhydridspeicher.

In der separaten Leitung befindet sich zwischen Reformierungs­ reaktor 2 und Reformatspeicher 4 ein Absperrventil 5, das den Reformatspeicher 4 vom Reformierungsreaktor 2 entkoppelt und so einen Rückfluß des Reformats verhindert.

Weiterhin befindet sich in der separaten Leitung zwischen Re­ formierungsreaktor 2 und Reformatspeicher 4 ein Wärmetau­ scher 6.

Am Reformatspeicher 4 sind Mittel 7 zum Ablaß des Reformats beim Kaltstart oder bei erhöhtem Leistungsbedarf angeordnet. Sie können als Absperrhahn oder Ventil ausgebildet sein und werden von einer nicht dargestellten Steuerungsvorrichtung ge­ steuert.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht im Prinzip derjeni­ gen nach Fig. 1, nur daß statt einer aktiven Dosiervorrichtung eine passive verwendet und auf einen Wärmetauscher 6 verzich­ tet wurde. Anstelle des Pumpensystems 1 weist die Ausführungs­ form nach Fig. 2 ein Flüssigkeitsreservoir 11 vor dem gekop­ pelten Verdampfer und Reformierungsreaktor 2 auf.

Weiterhin führt eine Rückführung 12 für den Druckausgleich von der separaten Leitung zwischen Reformierungsreaktor 2 und Reformatspeicher 4 zu dem dem gekoppelten Verdampfer und Refor­ mierungsreaktor 2 abgewandten Ende des Flüssigkeitsreser­ voirs 11. Die Rückführung 12 für den Druckausgleich ist von der separaten Leitung zwischen Reformierungsreaktor 2 und Re­ formatspeicher 4 zwischen Reformierungsreaktor 2 und Absperr­ ventil 5 abgezweigt.

Schließlich befindet sich in der dem gekoppelten Verdampfer und Reformierungsreaktor 2 abgewandten Zuleitung des Flüssig­ keitsreservoirs 11 ein Absperrventil 13.

Alle Ausführungsformen der Erfindung bieten die Vorteile einer niedrigeren Emission während des Kaltstarts und der Möglich­ keit einer schnelleren Aufheizung der Reformierungsvorrich­ tung.

Claims (21)

1. Reformierungsvorrichtung, insbesondere für ein Brennstoff­ zellensystem, mit einer Dosiervorrichtung (1, 11, 12, 13) und einem Reformierungsreaktor (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungsvorrichtung einen Reformatspeicher (4) aufweist.

2. Reformierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reformierungsvorrichtung Mittel (7) für den Ablaß von Reformat aus dem Reformatspeicher (4) sowie eine Steuerungsvorrichtung aufweist, mittels derer die Mittel (7) für den Ablaß des Reformats so steuerbar sind, daß beim Kalt­ start und/oder im Normalbetrieb Reformat aus dem Reformatspei­ cher abgelassen wird.

3. Reformierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Reformierungsreaktor (2) und Re­ formatspeicher (4) separat angeordnet sind.

4. Reformierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformierungsreaktor (2) im Reformatspeicher (4) integriert ist.

5. Reformierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reformatspeicher (4) Katalysatormaterial zur Reformierung enthält.

6. Reformierungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Katalysatormaterial nach der Reformierungs­ reaktion aus dem Reformatspeicher (4) entnehmbar und/oder von diesem entkoppelbar ist.

7. Reformierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformatspeicher (4) ein Hochdruckspeicher ist.

8. Reformierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformierungsreak­ tor (2) mittels der Restwärme der Reformierungsvorrichtung oder des Brennstoffzellensystems beheizbar ist.

9. Reformierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformierungsreak­ tor (2) mittels thermischer Kopplung an eine andere Reformie­ rungsvorrichtungskomponente oder Brennstoffzellensystemkompo­ nente beheizbar ist, die auf einem geeigneten Temperaturniveau betrieben wird.

10. Reformierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformierungsreaktor (2) elek­ trisch beheizbar ist.

11. Reformierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiervorrichtung (1, 11, 12, 13) ein Pumpensystem (1) enthält.

12. Reformierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiervorrichtung (1, 11, 12, 13) so angeordnet ist, daß die Dosierung durch die Ausnutzung der Schwerkraft erfolgt.

13. Reformierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiervorrichtung (1, 11, 12, 13) zum Dosieren eine Kapillarleitung aufweist.

14. Reformierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungsvorrich­ tung neben dem Reformierungsreaktor (2) für den Reformatspei­ cher (4) einen Hauptreformierungsreaktor aufweist.

15. Reformierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformatspeicher (4) eine Wasserstoffabsonderungsvorrichtung aufweist.

16. Reformierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformatspeicher (4) in einem kalten Bereich der Reformierungsvorrichtung angeord­ net ist.

17. Reformierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Reformierungsre­ aktor (2) und Reformatspeicher (4) ein Wärmetauscher (6) ange­ ordnet ist.

18. Verfahren zum Betrieb einer Reformierungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere nach einem der An­ sprüche 1 bis 17, bei dem

• - mittels eines Reformierungsreaktors (2) ein Reformat erzeugt wird,
• - das Reformat in einem Reformatspeicher (4) gespeichert wird und
• - das Reformat dem Brennstoffzellensystem beim Kaltstart zuge­ führt wird.

19. Verfahren zum Betrieb einer Reformierungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere nach einem der An­ sprüche 1 bis 17, bei dem

• - mittels eines Reformierungsreaktors (2) ein Reformat erzeugt wird,
• - das Reformat in einem Reformatspeicher (4) gespeichert wird und
• - das Reformat dem Brennstoffzellensystem bei erhöhtem Lei­ stungsbedarf zugeführt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Beheizen des Reformierungsreaktors (2) überflüssige Energie aus dem Brennstoffzellensystem verwendet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reformierungsvorrichtung in einem Fahr­ zeug angeordnet ist und zur Beheizung des Reformierungsreak­ tors (2) die Bremsenergie des Fahrzeugs verwendet wird.