DE10152836C1 - Gaserzeugungssystem - Google Patents

Gaserzeugungssystem

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Abstract

Es wird ein Gaserzeugungssystem vorgeschlagen, DOLLAR A - mit mindestens einem Vorratsbehälter (3, 4) für einen an der Gaserzeugung beteiligten Reaktanden, DOLLAR A - mit mindestens einem Kompressor (6, 7) zur Druckbeaufschlagung des Reaktanden in dem Vorratsbehälter (3, 4) mittels eines in den Vorratsbehälter (3, 4) geförderten Betriebsmediums, DOLLAR A - mit mindestens einer Gaserzeugungskomponente (2), der die Reaktanden über Zufuhrleitungen (5) zugeführt werden, und DOLLAR A - mit mindestens einem in der Zufuhrleitung (5) zwischen dem Vorratsbehälter (3, 4) und der Gaserzeugungskomponente (2) angeordneten Dosierelement (11), DOLLAR A das sich auch für den Einsatz im Rahmen von Hochdrucksystemen eignet, bei denen der Systemdruck größer als 10 bar ist. DOLLAR A Dazu wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems ein Dosierelement (11) eingesetzt, mit dessen Hilfe sich der Reaktand zusätzlich druckbeaufschlagen lässt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gaserzeugungssystem, mit mindestens einem Vorratsbehälter für einen an der Gaserzeugung beteiligten Reaktanden, mit mindestens einem Kompressor zur Druckbeauf­ schlagung des Reaktanden in dem Vorratsbehälter mittels eines in den Vorratsbehälter geförderten Betriebsmediums, mit mindes­ tens einer Gaserzeugungskomponente, der die Reaktanden über Zu­ fuhrleitungen zugeführt werden, und mit mindestens einem in der Zufuhrleitung zwischen dem Vorratsbehälter und der Gaserzeu­ gungskomponente angeordneten Dosierelement.
Ein derartiges Gaserzeugungssystem ist aus der deutschen Offen­ legungsschrift 199 09 145 bekannt. In dieser Druckschrift wird eine Anordnung zur Druckbeaufschlagung von Reaktanden eines Gaserzeugungssystems beschrieben, das für Niederdrucksysteme konzipiert ist. Die Reaktanden werden hier jeweils in einem Vorratsbehälter gespeichert, bevor sie der Gaserzeugungskompo­ nente zugeführt werden. Mit Hilfe einer Pumpe, die über ein Rohrleitungssystem an die Vorratsbehälter angeschlossen ist, werden die in den Vorratsbehältern gespeicherten Reaktanden mit Druck beaufschlagt. Dazu fördert die Pumpe ein Betriebsmedium in die Vorratsbehälter. Durch diese Druckbeaufschlagung werden die Reaktanden in die Gaserzeugungskomponente gefördert. Die Dosierung der Reaktanden erfolgt über Dosierventile, die in den Zufuhrleitungen zwischen den Vorratsbehältern und der Gaserzeu­ gungskomponente angeordnet sind.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Gaserzeugungssystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das sich auch für den Einsatz im Rahmen von Hochdrucksystemen eignet, bei denen der Systemdruck größer als 10 bar ist.
Erfindungsgemäß umfasst das Gaserzeugungssystem ein Dosierele­ ment, vorzugsweise eine Dosierpumpe, mit dessen Hilfe sich der Reaktand zusätzlich druckbeaufschlagen lässt.
Beispielsweise bei Brennstoffzellen, in denen H2-Separations­ membranen zum Einsatz kommen, liegt der Systemdruck in der Re­ gel über 10 bar. Die Reaktanden können nur in die Gaserzeu­ gungskomponente eines solchen Brennstoffzellensystems gefördert werden, wenn ein hinreichender Druckgradient zum Systemdruck besteht. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, einen entspre­ chenden Druckgradienten durch Druckbeaufschlagung der Vorrats­ behälter und mit Hilfe von diesen nachgeschalteten Dosierpumpen aufzubauen. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteil­ haft, die Druckbeaufschlagung der Vorratsbehälter so zu regeln, dass in den Vorratsbehältern der Systemdruck herrscht. Der zum Fördern der Reaktanden erforderliche Druckgradient lässt sich dann nämlich besonders einfach mit Hilfe von Standardpumpen aufbauen, deren Druckhub bei maximal 10 bar liegt. Der für die Dosierung der Reaktanden erforderliche Energieaufwand ist hier relativ gering.
Der Betrieb des Kompressors ist in der Regel mit einer für den Benutzer unangenehmen Geräuschentwicklung verbunden. Um auf einen Dauerbetrieb des Kompressors verzichten zu können, ist dem Kompressor in einer vorteilhaften Variante des erfindungs­ gemäßen Gaserzeugungssystems mindestens ein Druckspeicher für das Betriebsmedium nachgeschaltet. Auf diese Weise lassen sich die Vorratsbehälter auch bei abgeschaltetem Kompressor mit Druck beaufschlagen, wenn der Druckspeicher unter einem hinrei­ chenden Druck steht. In diesem Fall wird der Kompressor nur dann eingeschaltet, wenn der Druck im Druckspeicher unter einen vorgegebenen Mindestdruck fällt, der nicht geringer als der Systemdruck sein sollte. Die Abschaltung des Kompressors er­ folgt bei Erreichen eines vorgegebenen Maximaldrucks im Druck­ speicher. Sind den Vorratsbehältern Dosierpumpen für die Reak­ tanden nachgeschaltet, so können die durch den Druckspeicher verursachten Druckschwankungen durch eine entsprechende Rege­ lung der Dosierpumpen ausgeglichen werden. Die Dosierung der Reaktanden kann aber auch mit Hilfe von Düsen erfolgen, die den Vorratsbehältern nachgeschaltet sind. Als besonders geeignet erweisen sich in diesem Zusammenhang Düsen, die zumindest im Druckbereich des Druckspeichers eine im wesentlichen stationäre Kennlinie haben, so dass der durchgesetzte Volumenstrom zumin­ dest in diesem Druckbereich im wesentlichen konstant ist.
Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Gaserzeugungs­ system auch mehrere Vorratsbehälter für die unterschiedlichen an der Gaserzeugung beteiligten Reaktanden umfassen. In einer vorteilhaften, weil kostengünstigen Variante dient ein Kompres­ sor zur Druckbeaufschlagung von mehreren Vorratsbehältern. Der Einsatz von mehreren Kompressoren ist immer dann angeraten, wenn die Vorratsbehälter auf unterschiedlichen Druckniveaus gehalten werden müssen.
Um eine Mischung von Betriebsmedium und Reaktanden zu vermei­ den, also die Trennung von Betriebsmedium und Reaktand in einem Vorratsbehälter zu gewährleisten, sind in einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems bewegliche Trennmittel, insbesondere eine Rollmembran, in den Vorratsbe­ hältern angeordnet.
Mit Hilfe eines Rückschlagventils, das im Zuweg des Betriebsme­ diums, also zwischen dem Kompressor und dem Vorratsbehälter des erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems angeordnet ist, kann der einmal im Vorratsbehälter aufgebaute Druck auf einfache Weise gehalten werden. Das Rückschlagventil ist vorteilhafter Weise als Notaus-Ventil konzipiert, so dass der Druck zumindest in einem Notfall aus dem Vorratsbehälter abgelassen werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems wird ein an der Gaserzeugung beteiligter Reaktand als Betriebsmedium, also zur Druckbeaufschlagung der Vorratsbehälter, eingesetzt. In diesem Fall umfasst das Gaser­ zeugungssystem mindestens eine weitere Zufuhrleitung für das Betriebsmedium vom Kompressor zur Gaserzeugungskomponente.
Die Druckbeaufschlagung der Vorratsbehälter erfolgt vorzugs­ weise mit einem gasförmigen Betriebsmedium. Da Inertgase, wie z. B. Stickstoff, nicht mit den Reaktanden in den Vorratsbehäl­ tern reagieren, sind sie als Betriebsmedium gut geeignet.
Von besonderem Vorteil ist die Verwendung von Luft als Be­ triebsmedium, falls das erfindungsgemäße Gaserzeugungssystem im Rahmen eines Brennstoffzellensystems eingesetzt wird, da Luft ebenfalls als Reaktand an der Gaserzeugung beteiligt ist. Wie bereits erwähnt, wird die Druckbeaufschlagung der Vorratsbehäl­ ter in diesem Fall vorteilhafter Weise so geregelt, dass in den Vorratsbehältern der Systemdruck des Brennstoffzellensystems herrscht. Dazu kann beispielsweise der Förderdruck der Katho­ denluftversorgung der Brennstoffzelle genutzt werden.
Wie schon die voranstehenden Erläuterungen verdeutlichen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzu­ bilden. Dazu wird einerseits auf die Patentansprüche und ande­ rerseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
Fig. 1 zeigt eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Gas­ erzeugungssystems in Verbindung mit einer Brennstoff­ zelle; und
Fig. 2 zeigt eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems in Verbindung mit einer Brenn­ stoffzelle.
Die in den Figuren dargestellten Gaserzeugungssysteme sind einer Brennstoffzelle 1 vorgeschaltet und dienen der Erzeugung von wasserstoffreichem Gas durch katalytische Umsetzung von flüssigen Kohlenwasserstoffen. Die katalytische Umsetzung der Kohlenwasserstoffe erfolgt in mehreren hintereinander geschal­ teten Schritten, der eigentlichen Reformierung, bei der die Kohlenwasserstoffe entsprechend dem thermodynamischen Gleichge­ wicht in H2, CO und CO2 aufgespalten werden, und einer nachge­ schalteten gestuften Shiftreaktion, wobei CO mit H2O kataly­ tisch in CO2 und H2 umgewandelt wird. Da dies für die Realisie­ rung des dem erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystem zugrundelie­ genden Prinzips unerheblich ist, sind in den Figuren alle Schritte der katalytischen Umsetzung in einer Gaserzeugungskom­ ponente 2 zusammengefasst.
Des Weiteren umfassen alle in den Figuren dargestellten Gaser­ zeugungssysteme einen Vorratsbehälter 3 für Wasser und einen Vorratsbehälter 4 für die flüssigen Kohlenwasserstoffe CnHm. Sowohl Wasser als auch die flüssigen Kohlenwasserstoffe sind als Reaktanden an der Gaserzeugung beteiligt. Die Vorrats­ behälter 3 und 4 sind über Zufuhrleitungen 5 mit der Gaserzeu­ gungskomponente 2 verbunden.
Außerdem ist in allen dargestellten Ausführungsbeispielen ein Kompressor 6 (Fig. 1) bzw. 7 (Fig. 2) vorgesehen, mit dem sich die Vorratsbehälter 3 und 4 bzw. die Reaktanden in den Vorratsbehältern 3 und 4 mit Druck beaufschlagen lassen. Dazu fördert der Kompressor 6 bzw. 7 in allen drei dargestellten Fällen Luft als gasförmiges Betriebsmedium in die Vorrats­ behälter 3 und 4.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Förderdruck der Kathodenluftversorgung der Brennstoffzelle 1 für die Druckbeaufschlagung der Vorratsbehälter 3 und 4 ge­ nutzt, so dass sich in den Vorratsbehältern 3 und 4 automatisch der Systemdruck der Brennstoffzelle 1 einstellt. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei den in den Fig. 2 und 3a darge­ stellten Kompressoren 7 um von der Brennstoffzelle 1 unabhän­ gige Kompressoren, die einer Regelung zur Einstellung des Drucks in den Vorratsbehältern 3 und 4 bedürfen.
In allen dargestellten Ausführungsbeispielen sind in den Vorratsbehältern 3 und 4 bewegliche Trennmittel in Form einer Rollmembran 8 angeordnet, um einen Gasbypass und eine Anreiche­ rung der flüssigen Reaktanden H2O und CnHm mit dem Betriebsme­ dium Luft zu unterbinden. Außerdem sind in der Förderleitung 9 für das Betriebsmedium zwischen dem Kompressor 6 bzw. 7 und den Vorratsbehältern 3, 4 ein Rückschlagventil 10 und ein Notaus- Ventil 15 angeordnet. Bei ordnungsgemäßem Betrieb wird der Druck in den Vorratsbehältern 3, 4 durch das Rückschlagventil 10 gehalten. In Notfällen kann der Druck über das Notaus-Ventil 15 abgelassen werden.
Die Dosierung der in den Vorratsbehältern 3 und 4 zwischenge­ speicherten Reaktanden erfolgt jeweils über ein Dosierelement, das in der entsprechenden Zufuhrleitung 5 zwischen dem jeweili­ gen Vorratsbehälter 3 bzw. 4 und der Gaserzeugungskomponente 2 angeordnet ist. Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Varianten eines erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems dienen Dosierpumpen 11 als Dosierelemente, mit deren Hilfe sich die Reaktanden zusätzlich druckbeaufschlagen lassen. Den Dosierpum­ pen 11 ist jeweils ein Absperrventil 16 vorgeschaltet.
Wenn in den Vorratsbehältern 3 und 4 der gleiche Druck herrscht wie in der nachgeschalteten Brennstoffzelle, spricht man von einer Systemdruck kompensierten Eduktdosierung. In diesem Fall müssen die Dosierpumpen 11 auch bei Hochdrucksystemen lediglich den Strömungswiderstand der einzelnen Komponenten des Systems überwinden, die aus strömungstechnischen Gründen mit einem sehr geringen Strömungswiderstand konzipiert sind.
Wenn ein derartiges Gaserzeugungssystem gestartet wird, werden die Vorratsbehälter 3, 4 mit Hilfe des Kompressors 6 bzw. 7 be­ druckt. Solange der Druck im System noch nicht aufgebaut ist, können die Dosierpumpen 11 auch ohne Druckbeaufschlagung der Vorratsbehälter 3, 4 arbeiten. Ansonsten erfolgt die Dosierung der Reaktanden gegen den Systemdruck. Solange der Druck in den Vorratsbehältern 3, 4 durch das im Zuweg positionierte Rück­ schlagventil 10 gehalten wird, kann dieser Druck auch für den Startvorgang der Brennstoffzelle 1 genutzt werden. Je nach Art der Dosierpumpen 11 und deren Steuerung kann sowohl eine sta­ tionäre als auch eine dynamische Eduktdosierung realisiert wer­ den.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Gaserzeugungssystem ist eine weitere Zufuhrleitung 12 vorgesehen, über die der Gaserzeu­ gungskomponente 2 das vom Kompressor 7 geförderte Betriebsme­ dium Luft als weiterer Reaktand der Gaserzeugung zugeführt wird.

Claims (11)

1. Gaserzeugungssystem,
mit mindestens einem Vorratsbehälter (3, 4) für einen an der Gaserzeugung beteiligten Reaktanden,
mit mindestens einem Kompressor (6, 7) zur Druckbeaufschlagung des Reaktanden in dem Vorratsbehälter (3, 4) mittels eines in den Vorratsbehälter (3, 4) geför­ derten Betriebsmediums,
mit mindestens einer Gaserzeugungskomponente (2), der die Reaktanden über Zufuhrleitungen (5) zugeführt werden, und
mit mindestens einem in der Zufuhrleitung (5) zwischen dem Vorratsbehälter (3, 4) und der Gaserzeugungskomponente (2) angeordneten Dosierelement (11),
dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierelement (11) so ausgebldet ist, dass sich mit dessen Hilfe der Reaktand zusätzlich druckbeaufschlagen lässt.
2. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass eine Dosierpumpe (11) als Dosierelement dient.
3. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor (6, 7) für mehrere Vorratsbehälter (3, 4) vorgesehen ist, indem mehrere Vorratsbe­ hälter (3, 4) mit Hilfe des durch den Kompressor (6, 7) geför­ derten Betriebsmediums druckbeaufschlagt werden.
4. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass im Vorratsbehälter (3, 4) bewegliche Trennmittel, insbesondere eine Rollmembran (8), zur Trennung von Betriebsmedium und Reaktand angeordnet sind.
5. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rückschlagventil (10) zwischen dem Kompressor (6, 7) und dem Vorratsbehälter (3, 4) vorgesehen ist.
6. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Zufuhrlei­ tung (12) für das Betriebsmedium vom Kompressor (7) zur Gaser­ zeugungskomponente (2) vorgesehen ist.
7. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass ein Gas als Betriebsmedium dient.
8. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, dass ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, als Betriebs­ medium dient.
9. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, dass Luft als Betriebsmedium dient.
10. Verfahren zum Betreiben eines Gaserzeugungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung des Vorratsbehälters (3, 4) so geregelt wird, dass der Vorratsbehälter (3, 4) auf dem Druckniveau eines nachgeschalteten Systems gehalten wird.
11. Verfahren zum Betreiben eines Gaserzeugungssystems im Rah­ men eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, dass für die Druckbeaufschlagung des Reaktanden der Förderdruck der Kathodenluftversorgung der Brennstoffzelle (1) genutzt wird.
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