DE102007001154A1

DE102007001154A1 - Blasenfreie Brennstoffzufuhr insbesondere für Brennstoffzellensysteme

Info

Publication number: DE102007001154A1
Application number: DE102007001154A
Authority: DE
Inventors: Stefan Käding; Norbert GÜNTHER
Original assignee: Enerday GmbH
Current assignee: Enerday GmbH
Priority date: 2007-01-05
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2008-07-10
Also published as: WO2008080375A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um einem Brenner (10) und/oder Reformer (14) flüssigen Brennstoff möglichst blasenfrei zuzuführen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Einbringen von Ausgangsbrennstoff (24) in einen Behälter (20); - Erzeugen oder Aufrechterhalten eines Unterdrucks in dem Behälter (20), um leicht flüchtige Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs (24) zu verdampfen und so eine Brennstoff-Gasphase (26) und eine Brennstoff-Flüssigphase (28) zu erzeugen; - Absaugen von leicht flüchtigen Bestandteilen des Ausgangsbrennstoffes (24) aus der Brennstoff-Gasphase (26) und - Zuführen von flüssigem Brennstoff aus der Brennstoff-Flüssigphase (28) zu dem Brenner (10) und/oder Reformer (14). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren um einem Brenner und/oder Reformer flüssigen Brennstoff möglichst blasenfrei zuzuführen.
Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen Reformer und einen Brennstoffzellenstapel aufweist, wobei der Reformer dazu vorgesehen ist, den Brennstoffzellenstapel mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas zu versorgen, und wobei der Reformer einen Reformer-Brenner umfasst. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.
Bei der Förderung von flüssigen Brennstoffen, insbesondere von Benzin, kann es durch die Verdampfung von Brennstoff zu einer unerwünschten Dampfblasenbildung in den Brennstoffleitungen kommen. Im Zusammenhang mit Brennern oder Reformern für Brennstoffzellensysteme führt eine durch die Dampfblasen verursachte nicht kontinuierliche Zuführung von Brennstoff zu Pulsationen in der Flamme und damit in der Verbrennung. Im ungünstigsten Fall kann dies dazu führen, dass die Flamme aufgrund von fehlendem Brennstoff erlischt.
Um dieses Problem zu lösen, wurde bereits versucht, zumindest eine Querschnittsverkleinerung in der Brennstoffleitung vorzusehen, wodurch der Gesamtdruck für den Brennstoff angehoben und das Verdampfen der leicht flüchtigen Brennstoffanteile zumindest verringert wird. Eine derartige durch eine Querschnittsverkleinerung verursachte Druckerhöhung hängt jedoch von der Durchflussmenge des Brennstoffs ab, das heißt eine große Brennstoffmenge führt zu einem größeren Druck als eine kleine Brennstoffmenge. Zumindest bei kleinen Brennstoffdurchflussmengen können daher trotz einer Querschnittsverkleinerung Dampfblasen gebildet werden, die zu den oben erläuterten Problemen führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dampfblasenbildung bei der Förderung von flüssigem Brennstoff insbesondere auch dann sicher zu vermeiden, wenn kleine Brennstoffdurchflussmengen vorliegen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren um einem Brenner und/oder Reformer flüssigen Brennstoff möglichst blasenfrei zuzuführen zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

– Einbringen von Ausgangsbrennstoff in einen Behälter;
– Erzeugen oder Aufrechterhalten eines Unterdrucks in dem Behälter, um leicht flüchtige Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs zu verdampfen und so eine Brennstoff-Gasphase und eine Brennstoff-Flüssigphase zu erzeugen;
– Absaugen von leicht flüchtigen Bestandteilen des Ausgangsbrennstoffes aus der Brennstoff-Gasphase; und
– Zuführen von flüssigem Brennstoff aus der Brennstoff-Flüssigphase zu dem Brenner und/oder Reformer.

Durch diese gezielte Entfernung von leicht flüchtigen Bestandteilen des Ausgangsbrennstoffs gelingt es, das Pulsieren in der Brennstoffzuleitung mit allen daraus resultierenden Nachteilen zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
In diesem Zusammenhang wird es besonders bevorzugt, dass das Verdampfen der leicht flüchtigen Bestandteile bei Umgebungstemperatur erfolgt. Aufgrund der Tatsache, dass die leicht flüchtigen Bestandteile des Ausgangsbrennstoffes unter vermindertem Druck entfernt werden, wird die Siedetemperatur der leicht flüchtigen Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs weiter herabgesetzt. Unter Unterdruck können beispielsweise unter Normaldruck bei 60°C verdampfende Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs bereits bei 25°C verdampfen. Obwohl das Verdampfen der leicht flüchtigen Bestandteile bei Umgebungstemperatur besonders bevorzugt wird, ist es nicht grundsätzlich ausgeschlossen, den Behälter beziehungsweise dessen Inhalt zur Unterstützung der Verdampfung zu erwärmen, insbesondere wenn ohnehin nicht benötigte Abwärme zur Verfügung steht.
Weiterhin wird es im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur blasenfreien Brennstoffförderung bevorzugt, dass der Füllstand der Brennstoff-Flüssigphase in dem Behälter geregelt oder gesteuert wird. Vorzugsweise wird der Ausgangsbrennstoff über eine Blende oder ein Ventil in den Behälter geleitet, dessen Füllstand gemessen und dann über die Stellung der Blende oder des Ventils geregelt werden kann.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Unterdruck in dem Behälter geregelt oder gesteuert wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der Druck der Brennstoff-Gasphase durch einen Drucksensor erfasst und zur Ansteuerung der zum Absaugen der leicht flüchtigen Bestandteile vorgesehenen Pumpe herangezogen werden. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, insbesondere in der Anlaufphase des Systems, zur Erzeugung des Unterdrucks eine weitere Pumpe vorzusehen, die beispielsweise in den den Ausgangsbrennstoff aufnehmenden Tank zurückfördern kann.
Jede Vorrichtung, die zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens geeignet ist, fällt in den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass dem Reformer-Brenner möglichst blasenfreier flüssiger Brennstoff durch das vorstehend erläuterte Verfahren zugeführt wird. Der Betriebspunkt eines Reformer-Brenners muss in vielen Fällen besonders genau eingestellt werden, weshalb sich eine Vermeidung von Pulsationen in den Brennstoffleitungen besonders nachteilig auswirken können. Die erfindungsgemäße Verringerung oder Vermeidung derartiger Pulsationen ist daher im Zusammenhang mit Reformer-Brennern von Brennstoffzellensystemen besonders vorteilhaft.
Im vorstehend erläuterten Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft erachtet, dass aus der Brennstoff-Gasphase abgesaugte leicht flüchtige Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs einem Reformer-Verdampfer des Reformers zugeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass aus der Brennstoff-Gasphase abgesaugte leicht flüchtige Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs einem von dem Reformer erzeugten Reformat zugesetzt werden. Wird beispielsweise das wasserstoffhaltige Reformat, dass zum Betrieb eines SOFC-Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist, mit leicht flüchtigem beziehungsweise kurzkettigem Kohlenwasserstoff angereichert, so kann auf der Anodenseite der Brennstoffzellen eine vorzugsweise endotherme Dampfreformierungsreaktion hervorgerufen werden, die sozusagen Wärme verbraucht und daher gezielt zum Temperaturmanagement des Brennstoffzellenstapels verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen Brenner und/oder Reformer umfasst, dem in einer Brennstoff-Flüssigphase vorliegender flüssiger Brennstoff aus einem Behälter zugeführt werden kann, in dem leicht flüchtige Bestandteile eines Ausgangsbrennstoffs aus einer Brennstoff-Gasphase unter Unterdruck abgesaugt werden können. Auf diese Weise gelingt es, dem Brenner und/oder dem Reformer blasenfreien flüssigen Brennstoff zuzuführen, das heißt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auch im Rahmen eines entsprechenden Brennstoffzellensystems verwirklicht. Daher wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Erläuterungen im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnung beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, mit dem sowohl das erfindungsgemäße Verfahren zum Zuführen von blasenfreiem Brennstoff als auch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems durchgeführt werden kann.
Gemäß der Darstellung von 1 wird in einem Tank 22, insbesondere einem Fahrzeugtank, flüssiger Ausgangsbrennstoff 24 bereitgestellt, bei dem es sich beispielsweise um Diesel oder insbesondere Benzin handeln kann. Ein Behälter 20 wird über eine Leitung 30, ein Ventil 32 und gegebenenfalls eine nicht dargestellte Pumpe aus dem Tank 22 gespeist. Der Füllstand der Brennstoff-Flüssigphase 28 in dem Behälter 20 wird über einen Füllstandsensor 34 erfasst und durch geeignete Ansteuerung des Ventils 32 und gegebenenfalls der nicht dargestellten Pumpe geregelt. Neben der Brennstoff-Flüssigphase 28 bildet sich in dem Behälter 20 eine Brennstoff-Gasphase 26 aus, was noch dadurch unterstützt wird, das über eine Pumpe 40 und eine Leitung 38 (und gegebenenfalls eine weitere nicht dargestellte Pumpe) ein Vakuum oder zumindest ein Unterdruck erzeugt wird, der über einen Drucksensor 36 erfasst und vorzugsweise geregelt wird. Aufgrund des Unterdrucks in dem Behälter bei einer 20 können bei Umgebungstemperatur von beispielsweise 25°C leicht flüchtige Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs 24 verdampft werden, die bei Normaldruck erst bei 60°C verdampfen würden. Die in der Brennstoff-Gasphase 26 befindlichen leicht flüchtigen Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs 24 werden über die Leitung 38 und die Pumpe 40 abgesaugt und in später noch näher erläuterter Weise verwendet. Da die Brennstoff-Flüssigphase 28 nunmehr zumindest weniger leicht flüchtige Bestandteile enthält, kann der flüssige Brennstoff über die Leitung 46 und eine Pumpe 48 mit einer zumindest deutlich verringerten Gefahr der Dampfblasenbildung gefördert werden.
Im dargestellten Fall wird der flüssige Brennstoff aus der Brennstoff-Flüssigphase 28 einem Reformer-Brenner 10 eines Reformers 14 eines insgesamt mit 50 bezeichneten Brennstoffzellensystems zugeführt. Der Betriebspunkt des Reformer-Brenners 10 kann dabei aufgrund von fehlenden oder zumindest deutlich geringeren Pulsationen in der Brennstoffversorgung sehr genau eingestellt werden. Der Reformer 14 umfasst im dargestellten Fall weiterhin einen Reformer-Verdampfer 12. Diesem Reformer-Verdampfer 12 können in vorteilhafter Weise die abgesaugten leicht flüchtigen Brennstoffbestandteile über die Pumpe 40 zugeführt werden. Zusätzlich kann dem Reformer-Verdampfer 12 auch Brennstoff aus der Brennstoff-Flüssigphase 28 zugeführt werden, was jedoch nicht dargestellt ist. Der Reformer 14 erzeugt ein wasserstoffhaltiges Reformat, das den Anoden eines SOFC-Brennstoffzellenstapels 16 in an sich bekannter Weise zugeführt wird (die bekannte Zuführung der Kathodenluft ist in 1 nicht dargestellt). Dem von dem Reformer 14 erzeugten Reformat können gegebenenfalls ebenfalls abgesaugte leicht flüchtige Bestandteile des Brennstoffs zugeführt werden, wie dies durch die gestrichelt dargestellte Leitung 42 angedeutet ist. Gleiches gilt für die Zuführung von leicht flüchtigen Bestandteilen des Brennstoffs zu einem Nachbrenner 18, was durch die gestrichelte Leitung 44 angedeutet ist. Dabei kann es insbesondere in der Startphase des zur Verbrennung des Anodenabgases vorgesehenen Nachbrenners 18 sinnvoll sein, auch diesem Nachbrenner 18 über eine nicht dargestellte Leitung Brennstoff aus der Brennstoff-Flüssigphase 28 zuzuführen. Gegebenenfalls kommt auch eine Versorgung des Nachbrenners 18 über eine Abzweigung aus der Leitung 30 in betracht.
Mit dem in 1 dargestellten System lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur blasenfreien Brennstoffzuführung wie folgt durchführen: Zunächst wird Ausgangsbrennstoff 24 aus dem Tank 22 in den Behälter 20 eingebracht. Dann wird in dem Behälter 20 ein Unterdruck erzeugt oder aufrechterhalten, um leicht flüchtige Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs 24 zu verdampfen und so die Brennstoff-Gasphase 26 und die Brennstoff-Flüssigphase 28 zu erzeugen. Der Unterdruck wird dabei über die Pumpe 40 erzeugt. Zumindest ein Teil der leicht flüchtigen Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs 24 wird dann aus der Brennstoff-Gasphase 26 abgesaugt, über die Leitung 38. Schließlich wird flüssiger Brennstoff aus der Brennstoff-Flüssigphase 28 zu dem Brenner 10 des Reformers 14 gefördert, über die Leitung 46 und die Pumpe 48. Somit ergibt sich auch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 50, das den Reformer 14 und den Brennstoffzellenstapel 16 aufweist. Wie erwähnt, umfasst der Reformer 14 den Reformer-Brenner 10 und ist dazu vorgesehen, den Brennstoffzellenstapel 16 mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas zu versorgen. Dabei wird dem Reformer-Brenner 10 in der vorstehend erläuterten Weise möglichst blasenfreier flüssiger Brennstoff zugeführt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Reformer-Brenner
12: Reformer-Verdampfer
14: Reformer
16: Brennstoffzellenstapel
18: Nachbrenner
20: Behälter
22: Tank
24: Ausgangsbrennstoff
26: Brennstoff-Gasphase
28: Brennstoff-Flüssigphase
30: Leitung
32: Magnetventil
34: Füllstandsensor
36: Drucksensor
38: Leitung
40: Gaspumpe
42: Leitung
44: Leitung
46: Leitung
48: Flüssigkeitspumpe
50: Brennstoffzellensystem

Claims

Verfahren um einem Brenner (10) und/oder Reformer (14) flüssigen Brennstoff möglichst blasenfrei zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Einbringen von Ausgangsbrennstoff (24) in einen Behälter (20); – Erzeugen oder Aufrechterhalten eines Unterdrucks in dem Behälter (20), um leicht flüchtige Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs (24) zu verdampfen und so eine Brennstoff-Gasphase (26) und eine Brennstoff-Flüssigphase (28) zu erzeugen; – Absaugen von leicht flüchtigen Bestandteilen des Ausgangsbrennstoffes (24) aus der Brennstoff-Gasphase (26); und – Zuführen von flüssigem Brennstoff aus der Brennstoff-Flüssigphase (28) zu dem Brenner (10) und/oder Reformer (14).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfen der leicht flüchtigen Bestandteile bei Umgebungstemperatur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand der Brennstoff-Flüssigphase (28) in dem Behälter (20) geregelt oder gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck in dem Behälter (20) geregelt oder gesteuert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (50), das einen Reformer (14) und einen Brennstoffzellenstapel (16) aufweist, wobei der Reformer (14) dazu vorgesehen ist, den Brennstoffzellenstapel (16) mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas zu versorgen, und wobei der Reformer (14) einen Reformer-Brenner (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reformer-Brenner möglichst blasenfreier flüssiger Brennstoff durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Brennstoff-Gasphase (26) abgesaugte leicht flüchtige Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs (24) einem Reformer-Verdampfer (12) des Reformers (14) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Brennstoff-Gasphase (26) abgesaugte leicht flüchtige Bestandteile des Ausgangsbrennstoffs (24) einem von dem Reformer (14) erzeugten Reformat zugesetzt werden.
Brennstoffzellensystem (50), dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen Brenner (10) und/oder Reformer (14) umfasst, dem in einer Brennstoff-Flüssigphase (28) vorliegender flüssiger Brennstoff aus einem Behälter (20) zugeführt werden kann, in dem leicht flüchtige Bestandteile eines Ausgangsbrennstoffs (24) aus einer Brennstoff-Gasphase (26) unter Unterdruck abgesaugt werden können.