DE10164755A1 - 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 ein 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 Druckbeaufschlagung des Reaktanden in dem Vorratsbehälter mittels eines in den Vorratsbehälter geförderten Betriebsmediums, mit mindestens einer Gaserzeugungskomponente, der die Reaktanden über Zufuhrleitungen zugeführt werden, und mit mindestens einem in der Zufuhrleitung zwischen dem Vorratsbehälter und der Gaserzeugungskomponente angeordneten Dosierelement.
  • Ein derartiges Gaserzeugungssystem ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 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 Gaserzeugungskomponente 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 Gaserzeugungskomponente 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 Dosierelement, vorzugsweise eine Dosierpumpe, mit dessen Hilfe sich der Reaktand zusätzlich druckbeaufschlagen lässt.
  • Beispielsweise bei Brennstoffzellen, in denen H2 -Separationsmembranen zum Einsatz kommen, liegt der Systemdruck in der Regel über 10 bar. Die Reaktanden können nur in die Gaserzeugungskomponente eines solchen Brennstoffzellensystems gefördert werden, wenn ein hinreichender Druckgradient zum Systemdruck besteht. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, einen entsprechenden Druckgradienten durch Druckbeaufschlagung der Vorratsbehälter und mit Hilfe von diesen nachgeschalteten Dosierpumpen aufzubauen. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, 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 erfindungsgemäßen 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 hinreichenden 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 erfolgt bei Erreichen eines vorgegebenen Maximaldrucks im Druckspeicher. Sind den Vorratsbehältern Dosierpumpen für die Reaktanden nachgeschaltet, so können die durch den Druckspeicher verursachten Druckschwankungen durch eine entsprechende Regelung 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 zumindest in diesem Druckbereich im wesentlichen konstant ist.
  • Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Gaserzeugungssystem auch mehrere Vorratsbehälter für die unterschiedlichen an der Gaserzeugung beteiligten Reaktanden umfassen. In einer vorteilhaften, weil kostengünstigen Variante dient ein Kompressor 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 vermeiden, 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 Vorratsbehältern angeordnet.
  • Mit Hilfe eines Rückschlagventils, das im Zuweg des Betriebsmediums, 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 Gaserzeugungssystem mindestens eine weitere Zufuhrleitung für das Betriebsmedium vom Kompressor zur Gaserzeugungskomponente.
  • Die Druckbeaufschlagung der Vorratsbehälter erfolgt vorzugsweise mit einem gasförmigen Betriebsmedium. Da Inertgase, wie z. B. Stickstoff, nicht mit den Reaktanden in den Vorratsbehältern reagieren, sind sie als Betriebsmedium gut geeignet.
  • Von besonderem Vorteil ist die Verwendung von Luft als Betriebsmedium, 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 Vorratsbehälter in diesem Fall vorteilhafter Weise so geregelt, dass in den Vorratsbehältern der Systemdruck des Brennstoffzellensystems herrscht. Dazu kann beispielsweise der Förderdruck der Kathodenluftversorgung der Brennstoffzelle genutzt werden.
  • Wie schon die voranstehenden Erläuterungen verdeutlichen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
  • Fig. 1 zeigt eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems in Verbindung mit einer Brennstoffzelle,
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems in Verbindung mit einer Brennstoffzelle,
  • Fig. 3a zeigt eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems in Verbindung mit einer Brennstoffzelle und
  • Fig. 3b zeigt die Düsenkennlinie der Düsen des in Fig. 3a dargestellten Gaserzeugungssystems.
  • Alle 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 geschalteten Schritten, der eigentlichen Reformierung, bei der die Kohlenwasserstoffe entsprechend dem thermodynamischen Gleichgewicht in H2, CO und CO2 aufgespalten werden, und einer nachgeschalteten gestuften Shiftreaktion, wobei CO mit H2O katalytisch in CO2 und H2 umgewandelt wird. Da dies für die Realisierung des dem erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystem zugrundeliegenden Prinzips unerheblich ist, sind in den Figuren alle Schritte der katalytischen Umsetzung in einer Gaserzeugungskomponente 2 zusammengefasst.
  • Des Weiteren umfassen alle in den Figuren dargestellten Gaserzeugungssysteme 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 Vorratsbehälter 3 und 4 sind über Zufuhrleitungen 5 mit der Gaserzeugungskomponente 2 verbunden.
  • Außerdem ist in allen drei dargestellten Ausführungsbeispielen ein Kompressor 6 (Fig. 1) bzw. 7 (Fig. 2 und 3a) 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 Vorratsbehälter 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 genutzt, 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 dargestellten Kompressoren 7 um von der Brennstoffzelle 1 unabhängige Kompressoren, die einer Regelung zur Einstellung des Drucks in den Vorratsbehältern 3 und 4 bedürfen.
  • In allen drei dargestellten Ausführungsbeispielen sind in den Vorratsbehältern 3 und 4 bewegliche Trennmittel in Form einer Rollmembran 8 angeordnet, um einen Gasbypass und eine Anreicherung der flüssigen Reaktanden H2O und CnHm mit dem Betriebsmedium 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 zwischengespeicherten Reaktanden erfolgt jeweils über ein Dosierelement, das in der entsprechenden Zufuhrleitung 5 zwischen dem jeweiligen 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 Dosierpumpen 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 bedruckt. 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 Rückschlagventil 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 stationäre als auch eine dynamische Eduktdosierung realisiert werden.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten Gaserzeugungssystem ist eine weitere Zufuhrleitung 12 vorgesehen, über die der Gaserzeugungskomponente 2 das vom Kompressor 7 geförderte Betriebsmedium Luft als weiterer Reaktand der Gaserzeugung zugeführt wird.
  • Die in Fig. 3 dargestellte Variante eines erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems eignet sich besonders für eine stationäre Anwendung. Dem Kompressor 7 ist hier ein Druckspeicher 13 für das Betriebsmedium Luft nachgeschaltet, so dass die Reaktanden in den Vorratsbehältern auch bei abgeschaltetem Kompressor 7 über das Betriebsmedium mit Druck beaufschlagt werden können, wenn der Druckspeicher 13 unter einem hinreichenden Druck steht. Der Kompressor 7 wird hier immer nur dann eingeschaltet, wenn der Druck im Druckspeicher 13 unter einen vorgegebenen Mindestdruck abfällt, der nicht niedriger als der Systemdruck sein sollte. Sobald der Druck im Druckspeicher 13 einen vorgegebenen Maximaldruck erreicht hat, wird der Kompressor 7 wieder abgeschaltet.
  • Die Dosierung der Reaktanden erfolgt im hier dargestellten Ausführungsbeispiel über Düsen 14, die in den Zufuhrleitungen 5 angeordnet sind, wobei das Druckgefälle zwischen Maximaldruck und Mindestdruck im Druckspeicher 13 ausgenutzt wird. Dazu sind die Düsen 14 für einen relativ kleinen Durchsatz ausgelegt, so dass die Druckänderungen im hier relevanten Druckbereich zwischen Maximaldruck und Mindestdruck keinen Einfluss auf den Düsendurchsatz haben. Die Düsenkennlinie ist in diesem Druckbereich quasi stationär, was Fig. 3b verdeutlicht. Dabei bedeutet P [bar] der Druck in bar; V [l/h] der Volumenstrom in Liter pro Stunde; Pmax der Druck, bei dem der Kompressor eingeschaltet wird; Vstationär der Volumenstrom bei Pmax, der in guter Näherung dem Volumenstrom Pmin entspricht (stationärer Volumenstrom). Eine derartige Düsenauslegung wirkt sich auf Treibstoff, Wasser und Luft gleichermaßen aus, so dass allenfalls geringe Fehler bei der Dosierung der einzelnen Reaktanden zu erwarten sind. Da die Druckänderungen im hier relevanten Druckbereich, wenn überhaupt, nur geringe Auswirkungen auf den Düsendurchsatz haben, kann der Druckspeicher 13 auch intermittierend befüllt werden. Auch den Düsen 14 ist jeweils ein Absperrventil 16 vorgeschaltet.
  • An dieser Stelle sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Dosierung der Reaktanden auch beim Einsatz eines Druckspeichers zur Druckbeaufschlagung der Vorratsbehälter nicht zwangsläufig mit Hilfe von Düsen erfolgen muss, wie voranstehend beschrieben, sondern beispielsweise auch mit Hilfe von Dosierpumpen erfolgen kann. Bezugszeichen 1 Brennstoffzelle
    2 Gaserzeugungskomponente
    3 Vorratsbehälter H2O
    4 Vorratsbehälter CnHm
    5 Zufuhrleitung
    6 Kompressor (Fig. 1)
    7 Kompressor (Fig. 2 und 3a)
    8 Rollmembran
    9 Förderleitung
    10 Rückschlagventil
    11 Dosierpumpe
    12 Weitere Zufuhrleitung
    13 Druckspeicher
    14 Düse
    15 Notaus-Ventil
    16 Absperrventil

Claims (12)

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) geförderten Betriebsmediums,
mit mindestens einer Gaserzeugungskomponente (2), der die Reaktanden über Zufuhrleitungen (5) zugeführt werden,
mit mindestens einem Vorratsbehälter (3, 4) für einen an der Gaserzeugung beteiligten Reaktanden,
mit mindestens einem Kompressor (7) zur Druckbeaufschlagung des Reaktanden in dem Vorratsbehälter (3, 4) mittels eines in den Vorratsbehälter (3, 4) geförderten 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 (14),
dadurch gekennzeichnet, dass dem Kompressor (7) mindestens ein Druckspeicher (13) für das Betriebsmedium nachgeschaltet ist, so dass der Reaktand im Vorratsbehälter (3, 4) auch bei abgeschaltetem Kompressor (7) über das Betriebsmedium mit Druck beaufschlagt werden kann, wenn der Druckspeicher (13) unter einem hinreichenden Druck steht.
2. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse (14) als Dosierelement dient.
3. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (14) eine im wesentlichen stationäre Kennlinie aufweist, so dass der durchgesetzte Volumenstrom zumindest in einem bestimmten Druckbereich im wesentlichen konstant ist.
4. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor (6, 7) für mehrere Vorratsbehälter (3, 4) vorgesehen ist, indem mehrere Vorratsbehälter (3, 4) mit Hilfe des durch den Kompressor (6, 7) geförderten Betriebsmediums druckbeaufschlagt werden.
5. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorratsbehälter (3, 4) bewegliche Trennmittel, insbesondere eine Rollmembran (8), zur Trennung von Betriebsmedium und Reaktand angeordnet sind.
6. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rückschlagventil (10) zwischen dem Kompressor (6, 7) und dem Vorratsbehälter (3, 4) vorgesehen ist.
7. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Zufuhrleitung (12) für das Betriebsmedium vom Kompressor (7) zur Gaserzeugungskomponente (2) vorgesehen ist.
8. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas als Betriebsmedium dient.
9. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, als Betriebsmedium dient.
10. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Luft als Betriebsmedium dient.
11. Verfahren zum Betreiben eines Gaserzeugungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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.
12. Verfahren zum Betreiben eines Gaserzeugungssystems im Rahmen eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Druckbeaufschlagung des Reaktanden der Förderdruck der Kathodenluftversorgung der Brennstoffzelle (1) genutzt wird.
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