DE10145441A1

DE10145441A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems

Info

Publication number: DE10145441A1
Application number: DE10145441A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hoeger
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-04-03

Abstract

Eine Vorrichtung dient zur Bereitstellung von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas. Das wasserstoffhaltige Gas wird aus Wasser und einem Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Ausgangsstoff erzeugt und beim Betrieb einer Brennstoffzelle verwendet. Die Vorrichtung weist einen Startbrenner auf. Der Startbrenner ist als Flammbrenner ausgebildet, welchem wenigstens ein flüssiger Brennstoff und wenigstens ein gasförmiger Brennstoff zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems in der Art, welche in dem Oberbegriff der Ansprüche 8 und 10 angegeben ist.
Eine Möglichkeit, Wasserstoff für die Nutzung in einem Brennstoffzellensystem bereitzustellen, ist die Reformierung von Kohlenwasserstoffverbindungen, wie z. B. Methanol, in einem Gaserzeugungssystem. Ein wesentlicher Punkt hierbei, insbesondere für die Anwendung in Fahrzeugen, ist die Zeit, die benötigt wird, um das Gaserzeugungssystem 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 eingesetzt. In der Regel ist dies die Oxidation der zur Reformierung 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 5,686,196 ist ein Wasserstoffspeicher zur Speicherung von Wasserstoff bekannt, der während eines vorausgegangenen Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems erzeugt wird. Dieser Wasserstoff wird dem brennstoffhaltigen 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 Vorrichtung zum Bereitstellen von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems zur Verfügung zu stellen, die das Kaltstartverhalten auf eine kostengünstige und zuverlässige Art und Weise verbessert und die Emissionen während des Kaltstarts verringert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Eine verfahrensgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 8 und 10 angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt die Energie über den als Flammbrenner ausgebildeten Startbrenner zur Verfügung. Ein derartiger Flammbrenner ist im Vergleich zu einem katalytischen Brenner oder dergleichen vergleichsweise einfach und unkompliziert, da er auch unter ungünstigen Bedingungen gezündet werden kann. Die Mischung aus Reststoffen und heißen Abgasen kann dann die gewünschten Komponenten durchströmen, um diese aufzuheizen. Dabei ist dem Brenner einerseits ein flüssiger Brennstoff und andererseits ein gasförmiger Brennstoff zuführbar. Der Vorteil des flüssigen Brennstoffs liegt in seinem vergleichsweise hohen Energieinhalt je Volumeneinheit, so daß für die Bereitstellung einer vergleichsweise großen Energiemenge nur ein sehr kleiner Speicher benötigt wird. Der Vorteil des gasförmigen Brennstoffs liegt darin, daß dieser, insbesondere im Startfall des Flammbrenners selbst, nicht erst verdampft werden muß und damit weitaus schneller verbrennt, ohne dabei hohe Emissionen zu verursachen. In der Vorrichtung läßt sich nun also eine entsprechende Mischung dieser beiden Brennstoffe erreichen, so daß eine ideale und schnelle Aufheizung möglich ist, ohne all zu hohe Emissionen zu verursachen und ohne all zu viel Speichervolumen für die Brennstoffe zu benötigen.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist der gasförmige Brennstoff dabei ein in dem Gaserzeugungssystem erzeugtes, wasserstoffhaltiges Reformat, welches vom letzten Betrieb des Gaserzeugungssystems herrührt, und welches in einer Speichereinrichtung gespeichert ist. Damit kann auf ein Zutanken oder dergleichen des gasförmigen Brennstoffs verzichtet werden, da dieser immer während des Betriebs des Gaserzeugungssystems erzeugt und für den nächsten Start eingespeichert wird.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee ist die Speichereinrichtung als Hochdruckspeicher ausgebildet.
Ein derartiger Hochdruckspeicher für den gasförmigen Brennstoff ermöglicht es, eine vergleichsweise große Menge an gasförmigem Brennstoff in einem vergleichsweise kleinen Volumen für die Speichereinrichtung zu lagern. Dieser Punkt der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bringt entsprechende Vorteile mit sich, insbesondere beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug, da der zur Verfügung stehende Raumbedarf hier stark eingeschränkt ist und ein in seinen Abmessungen verhältnismäßig kleiner Hochdruckspeicher hinsichtlich des Packagings entscheidende Vorteile aufweist.
Verfahrensgemäß kann eine derartige erfindungsgemäße Vorrichtung nun so betrieben werden, daß dem Flammbrenner zuerst der gasförmige Brennstoff zugeführt wird, insbesondere bis der Flammbrenner selbst aufgeheizt ist, wonach auf den Betrieb mit flüssigem Brennstoff gewechselt wird.
Dies hat den Vorteil, daß bei noch sehr kalter Anlage ausschließlich der gasförmige Brennstoff, welcher beispielsweise das oben erwähnte Reformat sein könnte, in dem Flammbrenner umgesetzt wird. Bei diesem gasförmigen Brennstoff ist eine Zündung der Verbrennung sehr leicht möglich und es steht sofort eine hohe Temperatur zur Verfügung. Der Flammbrenner selbst heizt sich sehr schnell auf, so daß dann sehr früh auf den Betrieb mit flüssigem Brennstoff gewechselt werden kann. Der flüssige Brennstoff gelangt dabei in den bereits aufgeheizten Flammbrenner und kann dort ideal verdampfen und verbrennen, ohne daß eine größere Menge an nicht umgesetzten Resten des flüssigen Brennstoffs den Flammbrenner verläßt. Das Verfahren erlaubt es also in vorteilhafter Weise die Emissionen zu reduzieren und die Zeit zum Aufheizen des Gaserzeugungssystems auf ein Minimum zu reduzieren.
Des weiteren ist bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren die erforderliche Menge an gasförmigem Brennstoff gering, so daß die Speicherung des gasförmigen Brennstoffs in einem relativ kleinen Volumen erfolgen kann, was wiederum die oben bereits genannten Vorteile hinsichtlich des Packagings, insbesondere beim bevorzugten Einsatzzweck in einem Kraftfahrzeug, ermöglicht.
Eine alternative verfahrensgemäße Lösung kann jedoch auch vorsehen, den Flammbrenner auf herkömmliche Weise mit dem flüssigen Brennstoff zu starten und dann den gasförmigen Brennstoff zuzugeben. Der oben genannte Vorteil kann hier nicht in vollem Umfang erzielt werden, es kann jedoch erreicht werden, daß durch die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs, welcher, insbesondere wenn es sich um ein Reformat handelt, weniger Emissionen verursacht als der flüssige Brennstoff, die gesamten Emissionen des Systems während der Startphase abgesenkt werden können. Außerdem können dadurch die Verbrennungen des gasförmigen Brennstoffs im allgemeinen schneller höhere Temperaturen erzielt werden. Die zu erzielende Temperatur in dem Flammbrenner kann durch das Mischungsverhältnis zwischen flüssigem und gasförmigen Brennstoff sehr leicht beeinflußt werden, so daß das Gaserzeugungssystem sehr schnell und effizient auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die einzige beigefügte Figur zeigt eine angedeutete Vorrichtung zur Bereitstellung von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems.
In der einzigen beigefügten Figur ist ein als Flammbrenner ausgebildeter Startbrenner 1 dargestellt, dessen Abgase in ein prinzipmäßig angedeutetes Gaserzeugungssystem 2 einströmen, um dort Komponenten, beispielsweise einen katalytischen Reaktor 3, während des Kaltstarts des Gaserzeugungssystems 2 aufzuheizen.
Das Gaserzeugungssystem 2 umfaßt weitere Komponenten 4, welche hier nur angedeutet sind. Der Sinn und Zweck dieses an sich bekannten Gaserzeugungssystems 2 liegt darin, ein wasserstoffhaltiges Gas für eine prinzipmäßig angedeutete Brennstoffzelle 5 zur Verfügung zu stellen.
Der Flammbrenner 1 erzeugt thermische Energie zum Aufheizen des Gaserzeugungssystems 2, insbesondere in dessen Kaltstartphase. Der Flammbrenner 1 wird dazu mit Luft und einem flüssigen Brennstoff versorgt. Der flüssige Brennstoff kann beispielsweise der Ausgangsstoff sein, der in dem Gaserzeugungssystem zu dem wasserstoffhaltigen Gas umgesetzt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel, das eine Anlage für den Betrieb in einem Kraftfahrzeug zeigen soll, kann dies in bevorzugter Weise ein Kohlenwasserstoffderivat, wie z. B. Methanol, sein. Aus einem Methanoltank 6 gelangt das Methanol als der flüssige Brennstoff dann zu dem Flammbrenner 1 und wird im Bereich des Flammbrenners 1 über an sich bekannte, nicht dargestellte Düsenmittel in dem Luftstrom zerstäubt. Dieses Gemisch kann dann über eine an sich bekannte Zündeinrichtung, wie z. B. eine Zündkerze oder dergleichen, gezündet werden und verbrennt im Flammbrenner 1.
Eine derartige Verbrennung erzeugt nun, wie oben eingehend erläutert, insbesondere in der Startphase, wenn der Flammbrenner 1 selbst noch kalt ist, vergleichsweise hohe Emissionen, die nach Durchströmen des Gaserzeugungssystems 2 in die Umgebung gelangen.
Die hier dargestellte Vorrichtung weist daher eine als Hochdruckspeichereinrichtung ausgebildete Speichereinrichtung 7 auf, in welcher sich ein gasförmiger Brennstoff befindet. Dieser gasförmige Brennstoff wird in der Startphase des Flammbrenners 1 entweder als alleiniger Brennstoff verwendet, bis der Flammbrenner 1 die Temperatur erreicht hat, welche den emissionsfreien Umsatz des Methanols ermöglicht, oder der gasförmige Brennstoff wird dem Methanol zugemischt, um die durch das Methanol in dem vergleichsweise kalten Flammbrenner 1 erzeugten Emissionen zu verringern.
Als gasförmiger Brennstoff sind prinzipiell alle gasförmigen Brennstoffe denkbar. Besonders günstig ist es jedoch, wenn der gasförmige Brennstoff ein von dem Gaserzeugungssystem 2 während seiner letzten Betriebsphase erzeugtes Reformat ist, welches in dem Hochdruckspeicher 7 gespeichert und für die Startphase bevorratet wird. Dieses Reformat, das das wasserstoffhaltige Gas, welches zu der Brennstoffzelle 5 gelangt, sein kann, oder das auch zu einem früheren Zeitpunkt aus dem Gaserzeugungssystem 2 abgezweigt werden kann, beispielsweise vor der Reinigung des wasserstoffhaltigen Gases von Kohlenmonoxid, steht in dem Flammbrenner 1 dann unmittelbar als gasförmiger Brennstoff zur Verfügung. Der gasförmige Brennstoff muß in dem Flammbrenner 1 nicht erst zerstäubt und verdampft werden, sondern kann ganz einfach über eine nicht dargestellte Lanze in den Luftstrom eingeleitet werden. Außerdem ist durch die Verbrennung eines derartigen Reformats eine sehr hohe Temperatur zu erzielen, welche das System sehr schnell aufheizt. Durch das Fehlen von Resten von Methanol oder dergleichen wird außerdem ein Belegen der katalytischen Zentren der katalytischen Reaktoren 3 des Gaserzeugungssystems 2 verhindert, so daß dieses besser, schneller und mit weniger Emissionen starten kann.
Die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffes, also beispielsweise des Reformats, kann wahlweise unterstöchiometrisch oder überstöchiometrisch betreiben werden. Eventuell nicht verbrannte Reste des gasförmigen Brennstoffes bzw. Reformats werden in dem Gaserzeugungssystem 2 umgesetzt, da diese überwiegend Wasserstoff oder Kohlenmonoxid sein werden, zu deren Umsatz das Gaserzeugungssystem 2 problemlos in der Lage ist.
Im Vergleich dazu wird der flüssige Brennstoff aus dem Tank 6, hier also das Methanol überstöchiometrisch verbrannt, so daß keine Reste an Methanol in den Bereich des Gaserzeugungssystems 2 gelangen und dort die katalytischen Zentren der katalytischen Reaktoren 3 belegen und den Start derselben dadurch verzögern können.
Der Flammbrenner 1 kann als herkömmlicher Flammbrenner ausgebildet sein. Der flüssige Brennstoff kann beispielsweise über die oben angesprochenen Düsenmittel zerstäubt und dann verbrannt werden. Für das Einleiten des gasförmigen Brennstoffs in den Luftstrom reicht eine einfache Lanze oder dergleichen aus.
In einer besonders günstigen Weiterbildung des Flammbrenners 1 kann dieser jedoch auch als Zwei-Rohr-Brenner ausgebildet sein, beispielsweise in der Art, wie er durch die noch nicht veröffentlichte Patentanmeldung der selben Anmelderin mit dem Aktenzeichen DE 100 55 613.2 beschrieben ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Bereitstellen von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems zum Erzeugen von wasserstoffhaltigem Gas aus Wasser und einem Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Ausgangsstoff für eine Brennstoffzelle, mit wenigstens einem Startbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß der Startbrenner als Flammbrenner (1) ausgebildet ist, welchem wenigstens ein flüssiger Brennstoff und wenigstens ein gasförmiger Brennstoff zuführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Brennstoff ein in dem Gaserzeugungssystem (2) erzeugtes wasserstoffhaltiges Reformat ist, welches von dem letzten Betrieb des Gaserzeugungssystems herrührt, und welches in einer Speichereinrichtung (7) gespeichert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung als Hochdruckspeicher (7) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Brennstoff der Ausgangsstoff ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammbrenner (1) von einem Luftstrom durchströmt ist und zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs Düsenmittel aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammbrenner (1) von einem Luftstrom durchströmt ist und wenigstens eine Lanze aufweist, durch welche der gasförmige Brennstoff in den Luftstrom einbringbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammbrenner (1) als Zwei-Rohr-Brenner ausgebildet ist.

8. Verfahren zum Bereitstellen von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems zum Erzeugen von wasserstoffhaltigem Gas aus Wasser und einem Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Ausgangsstoff für eine Brennstoffzelle, mit wenigstens einem Startbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß als Startbrenner ein Flammbrenner (1) verwendet wird, welcher zuerst mit einem gasförmigen Brennstoff und anschließend mit einem flüssigen Brennstoff betrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs unterstöchiometrisch oder überstöchiometrisch und die Verbrennung des flüssigen Brennstoffs überstöchiometrisch erfolgt.

10. Verfahren zum Bereitstellen von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems zum Erzeugen von wasserstoffhaltigem Gas aus Wasser und einem Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Ausgangsstoff für eine Brennstoffzelle, mit wenigstens einem Startbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß als Startbrenner ein Flammbrenner (1) verwendet wird, welcher mit einem flüssigen Brennstoff betrieben wird, wobei kurz nach den Start der Verbrennung zusätzlich ein gasförmiger Brennstoff zugeführt wird.