DE102007040192A1 - Reformer und Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reformer (3) zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Brenngases aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator, insbesondere für ein, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordneten, Brennstoffzellensystem (1), mit einem Gemischbildungsbereich (12), der eine Mischkammer (14) enthält, in der im Betrieb des Reformers (3) zumindest aus dem Kraftstoff und dem Oxidator ein Gemisch gebildet wird, und mit einem Umsetzungsbereich (13), der einen Katalysator (15) aufweist, der im Betrieb des Reformers (3) das Gemisch durch partielle Oxidation in das Brenngas umsetzt. Um die Effizienz des Reformers (3) zu verbessern, sind Gemischbildungsbereich (12) und Umsetzungsbereich (13) so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass im Betrieb des Reformers (3) Wärme vom Katalysator (15) direkt in die Mischkammer (14) abstrahlt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reformer zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Brenngases aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, das vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem, das mit einem derartigen Reformer ausgestattet ist.
  • Ein Reformer weist üblicherweise einen Gemischbildungsbereich auf, der eine Mischkammer enthält, in der im Betrieb des Reformers zumindest aus dem Brennstoff und dem Oxidator ein Gemisch gebildet wird. Ferner weist ein solcher Reformer in der Regel einen Umsetzungsbereich auf, der einen Katalysator enthält, der im Betrieb des Reformers das Gemisch durch partielle Oxidation in das Brenngas umsetzt.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Reformer beziehungsweise für ein damit ausgestattetes Brennstoffzellensystem eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie mit erhöhter Effizienz arbeitet. Ferner sind eine kompakte Bauweise sowie ein schnelles Ansprechverhalten erwünscht.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, innerhalb des Reformers den Gemischbildungsbereich und den Umsetzungsbereich so auszugestalten und aufeinander abzustimmen, dass im Betrieb des Reformers Strahlungswärme vom Katalysator direkt in die Mischkammer gelangt. Das bedeutet, dass der Katalysator wärme direkt in die Mischkammer abstrahlen kann. Hierdurch wird der Wärmeeintrag in die Mischkammer erhöht, was die Verdampfung eines in flüssiger Form zugeführten Kraftstoffs unterstützt. Die verbesserte Verdampfung erhöht den Wirkungsgrad des Reformers und somit den Wirkungsgrad des damit ausgestatteten Brennstoffzellensystems. Damit die direkte Wärmeabstrahlung vom Katalysator in die Mischkammer möglich ist, sind zwischen Katalysator und Mischkammer keine weiteren Bauteile, wie zum Beispiel eine Flammenrückschlagsperre, vorhanden, die eine direkte Wärmeeinstrahlung in die Mischkammer behindern könnten.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können ein Eintrittsende des Katalysators und ein Austrittsende der Mischkammer direkt aneinandergrenzen beziehungsweise zusammenfallen. Mit anderen Worten, das Eintrittsende des Kataly sators begrenzt die Mischkammer austrittseitig. Hierdurch wird das Abstrahlen von Wärme in die Mischkammer begünstigt.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Gemischbildungsbereich zumindest an einem Eintrittsende der Mischkammer eine Verdampfungszone aufweisen, in der im Betrieb des Reformers zugeführter flüssiger Kraftstoff verdampft wird. Der Gemischbildungsbereich und der Umsetzungsbereich sind nun so aufeinander abgestimmt und ausgestaltet, dass im Betrieb des Reformers Wärme vom Katalysator direkt auf beziehungsweise in die Verdampfungszone abgestrahlt wird. Durch diese Bauweise kann durch die Strahlungswärme des Katalysators die Verdampfungszone aufgeheizt werden. Die Verdampfungszone benötigt Wärme, um den flüssig zugeführten Kraftstoff verdampfen zu können. Diese Wärme kann extern, beispielsweise elektrisch oder durch eine teilweise Verbrennung, insbesondere mit kalter Flamme, des Kraftstoffs, bereit gestellt werden. Durch die Nutzung der Strahlungswärme des Katalysators zum Aufheizen der Verdampfungszone kann die Menge der extern zuzuführenden Energie reduziert werden, was den Wirkungsgrad des Reformers entsprechend erhöht.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend 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.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Reformer.
  • Entsprechend 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1, das beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, eine Brennstoffzelle 2 und einen Reformer 3. Der Reformer 3 dient dazu, ein Wasserstoffgas enthaltendes Brenngas zu generieren, das der Brennstoffzelle 2 als Anodengas zugeführt werden kann. Hierzu ist der Reformer 3 über eine Anodengasleitung 4 mit einer Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 2 verbunden. Zur Generierung des Anodengases setzt der Reformer 3 einen Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff mit einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator um. Beim Kraftstoff handelt es sich um einen auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kraftstoff, wie zum Beispiel Diesel, Benzin, Erdgas, Biodiesel. Der Kraftstoff wird dabei über eine Kraftstoffversorgung 6 zugeführt, die eine Kraftstoffleitung 7 umfasst. Die Kraftstoffleitung 7 enthält eine geeignete Fördereinrichtung 8, zum Beispiel eine Pumpe oder ein Gebläse, und ist ausgangsseitig an den Reformer 3 und eingangsseitig an einen Kraftstofftank angeschlossen, bei dem es sich vorzugsweise um den in einem mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeug ohnehin vorhandenen Kraftstofftank handeln kann, aus dem eine Brennkraftmaschine dieses Fahrzeugs mit Kraftstoff versorgt wird.
  • Beim Oxidator handelt es sich bevorzugt um Luft. Die Versorgung des Reformers 3 mit dem Oxidator erfolgt über eine erste Oxidatorversorgungseinrichtung 9, die eine erste Versorgungsleitung 10 aufweist, in der eine erste Fördereinrichtung 11, zum Beispiel ein Gebläse oder eine Pumpe, angeordnet ist.
  • Der Reformer 3 weist einen Gemischbildungsbereich 12 und einen Umsetzungsbereich 13 auf. Der Gemischbildungsbereich 12 enthält eine Mischkammer 14, in der im Betrieb des Reformers 3 zumindest aus dem Brennstoff und dem Oxidator ein Gemisch gebildet wird. Der Umsetzungsbereich 13 weist einen Katalysator 15 auf, der so ausgestaltet ist, dass er im Betrieb des Reformers 3 das zugeführte Gemisch durch partielle Oxidation in das gewünschte Brenngas, also in das Anodengas umsetzen kann. Vorzugsweise sind Gemischbildungsbereich 12 und Umsetzungsbereich 13 in einem gemeinsamen Gehäuse 16 des Reformers 3 untergebracht.
  • Die Brennstoffzelle 2 ist in üblicher Weise ausgestaltet und dient zum Generieren von elektrischem Strom durch die Umsetzung von Wasserstoffgas enthaltendem Anodengas und Sauerstoffgas enthaltendem Kathodengas. Bei der Brennstoffzelle 2 kann es sich beispielsweise um eine Hochtemperatur- Brennstoffzelle handeln, die insbesondere als Festkörper-Brennstoffzelle oder als SOFC-Brennstoffzelle ausgestaltet sein kann. Ebenso kann es sich bei der Brennstoffzelle 2 um eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle handeln, die beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgestaltet ist. Eine derartige PEM-Brennstoffzelle arbeitet mit einer Protonen-Transport-Membran oder mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran als Elektrolyt 25.
  • Das Kathodengas, bei dem es sich vorzugsweise um Luft handelt, wird der Brennstoffzelle 2 von einer zweiten Oxidatorversorgungseinrichtung 17 zugeführt, die in einer zweiten Versorgungsleitung 18 eine entsprechende zweite Fördereinrichtung 19 enthält, zum Beispiel ein Gebläse oder eine Pumpe. Im Beispiel ist die zweite Versorgungsleitung 18 mit Hilfe einer Ventileinrichtung 20 aufgezweigt in einen ersten Versorgungsleitungszweig 21 und einen zweiten Versorgungsleitungszweig 22. Der erste Versorgungsleitungszweig 21 bildet eine Kathodengasleitung 23 zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit dem Kathodengas. Anstelle der hier dargestellten zwei separaten Oxidatorversorgungseinrichtungen 9, 17 kann auch eine gemeinsame Oxidatorversorgungseinrichtung vorgesehen sein. Die erste Versorgungsleitung 10 beziehungsweise die Oxidatorleitung 10 des Reformers 3 kann dann einen dritten Versorgungsleitungszweig bilden, der über die Ventileinrichtung 20 steuerbar ist.
  • Die Kathodengasleitung 23 ist an eine Kathodenseite 24 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen. In der Brennstoffzelle 2 sind die Anodenseite 5 und die Kathodenseite 24 durch ein Elektrolyt 25 voneinander getrennt. Bei der Brennstoffzelle 2 kann es sich grundsätzlich um einen Stapel einzelner Brennstoffzellenelemente handeln, in denen jeweils ein Elektrolyt 25 eine Anodenseite 5 von einer Kathodenseite 24 trennt. Die Brennstoffzelle 2 besitzt zumindest einen Stromanschluss 26, an dem elektrischer Strom zur Versorgung zumindest eines elektrischen Verbrauchers 27 abgreifbar ist. Beim elektrischen Verbraucher kann es sich beispielsweise um ein Bordnetz eines mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs handeln oder um einen grundsätzlich beliebigen Verbraucher 27 des Fahrzeugs. Das Brennstoffzellensystem 1 ermöglicht bei einem damit ausgestatteten Fahrzeug die Versorgung einzelner elektrischer Verbraucher 27 mit elektrischer Energie auch dann, wenn eine Brennkraftmaschine des Fahrzeugs ausgeschaltet ist.
  • Von der Brennstoffzelle 2 führt anodenseitig eine Anodenabgasleitung 28 weg, die an einen Restgasbrenner 29 angeschlossen ist. Von der Kathodenseite 24 der Brennstoffzelle 2 führt eine Kathodenabgasleitung 30 weg, die ebenfalls an den Restgasbrenner 29 angeschlossen ist. Der Restgasbrenner 29 enthält einen Reaktionsraum oder Brennraum 31, in dem eine Verbrennung des Wasserstoffgas enthaltenden Anodenabgases mit Sauerstoffgas enthaltendem Kathodenabgas stattfinden kann. Die Verbrennung kann mit offener Flamme oder auch katalytisch erfolgen, bei letzterem weist der Restgasbrenner 29 zusätzlich einen entsprechenden Katalysator auf. Das bei der jeweiligen Verbrennung entstehende Brennerabgas kann ü ber eine Abgasleitung 32 vom Restgasbrenner 29 abgeführt werden. Dem Restgasbrenner 29 kann über eine Kühlgasleitung 33 ein geeignetes Kühlgas, zum Beispiel Luft, zugeführt werden. Die Kühlgasleitung 33 ist im vorliegenden Fall durch den zweiten Versorgungsleitungszweig 22 gebildet, der über die zweite Oxidatorversorgungseinrichtung 17 gespeist wird.
  • Dem Restgasbrenner 29 ist ein Hauptwärmeübertrager 34 nachgeordnet, der einerseits in die Abgasleitung 32 und andererseits in die Kathodengasleitung 23 beziehungsweise in den ersten Versorgungsleitungszweig 21 eingebunden ist. Auf diese Weise herrscht eine wärmeübertragende Kopplung zwischen den Brennerabgasen und dem Kathodengas. Des weiteren kann ein Zusatzwärmeübertrager 35 vorgesehen sein, der in der Abgasleitung 32 stromab des Hauptwärmeübertragers 34 angeordnet ist. Dieser Zusatzwärmeübertrager 35 ist außerdem in eine Leitung 36 eingebunden, die zu einem grundsätzlich beliebigen Wärmeverbraucher führen kann. Beispielsweise ist diese Leitung 36 ein Bestandteil eines Kühlkreises einer Brennkraftmaschine, die in einem mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeug angeordnet ist. Ebenso kann es sich bei der Leitung 36 um einen Bestandteil eines Heizkreises zur Beheizung eines Innenraums des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs handeln.
  • Des weiteren kann ein Rezirkulationswärmeübertrager 37 vorgesehen sein, in den einerseits eine Rezirkulationsleitung 38 und andererseits zum Beispiel die Oxidatorleitung 10 zur Versorgung des Reformers 3 mit Oxidatorgas eingebunden sein kann. Ebenso kann in den Rezirkulationswärmeübertrager 37 die Kathodengasleitung 23 beziehungsweise der erste Versorgungsleitungszweig 21 eingebunden sein. Mit Hilfe des Rezirkulationswärmeübertragers 37 kann somit das dem Reformer 3 beziehungsweise das der Brennstoffzelle 2 zugeführte Sauerstoffgas vorgeheizt werden. Gleichzeitig kann dadurch das rückgeführte Anodenabgas gekühlt werden. In der Rezirkulationsleitung 38, die bei 39 von der Anodenabgasleitung 28 abzweigt, kann eine geeignete Fördereinrichtung 40, zum Beispiel ein Kompressor, ein Gebläse, eine Pumpe oder dergleichen, angeordnet sein, um das rückgeführte Anodenabgas anzutreiben. Die Rezirkulationsleitung 38 ist ausgangsseitig an den Reformer 3, und zwar an dessen Gemischbildungsabschnitt 12 angeschlossen.
  • Der Reformer 3 besitzt eine besondere Ausgestaltung, die eine direkte Wärmeabstrahlung vom Katalysator 15 in die Mischkammer 14 ermöglicht. Zu diesem Zweck sind der Gemischbildungsbereich 12 und der Umsetzungsbereich 13 jeweils so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass im Betrieb des Reformers 3 Wärme vom Katalysator 15 direkt in die Mischkammer 14 abstrahlt. Die Wärmeabstrahlung ist in 1 durch Pfeile 41 symbolisiert. Der Wärmeeintrag durch Strahlung in die Mischkammer 14 beschleunigt die Aufheizung der Mischkammer 14 sowie des darin gebildeten Gemischs, was günstig für den Gemischbildungsprozess ist. Zur Erzielung der direkten Wärmeeinstrahlung vom Katalysator 15 in die Mischkammer 14 gehen die Mischkammer 14 und der Katalysator 15 direkt ineinander über. Hierzu grenzt ein Eintrittsende 42 des Kata lysators 15 unmittelbar an ein Austrittsende 43 der Mischkammer 14 an. Mit anderen Worten, das Eintrittsende 43 des Katalysators 15 fällt mit dem Austrittsende 43 der Mischkammer 14 zusammen. Hierdurch bildet das Eintrittsende 42 des Katalysators 15 eine austrittsseitige Begrenzung der Mischkammer 14. Insbesondere ist hier zwischen dem Mischkammer-Austrittsende 43 und dem Katalysator-Eintrittsende 42 kein weiteres Bauteil angeordnet, insbesondere befindet sich hier keine Flammenrückschlagstruktur oder dergleichen. Auf eine derartige Flammenrückschlagstruktur kann beim Reformer 3 in überraschender Weise verzichtet werden, da die Gefahr eines Flammenrückschlags vom Katalysator 15 in die Mischkammer 14 vergleichsweise gering ist, was insbesondere durch die beim Betrieb des Reformers 3 eingestellten, vergleichsweise großen Volumenströme erreicht wird.
  • Der Gemischbildungsbereich 12 weist zumindest an einem Eintrittsende 44 der Mischkammer 14 eine Verdampfungszone 45 auf, die so ausgestaltet ist, dass darin im Betrieb des Reformers 3 der in flüssiger Form zugeführte Kraftstoff verdampft. Beispielsweise umfasst die Verdampfungszone 45 hierzu einen porösen Verdampfungskörper 46, der so gestaltet ist, dass sich zugeführter flüssiger Kraftstoff auf einer großen Oberfläche verteilt. Beispielsweise handelt es sich beim Verdampfungskörper 46 um ein Vlies oder um ein Keramiksubstrat oder um ein Drahtgestrick. Zweckmäßig sind nun der Gemischbildungsbereich 12 und der Umsetzungsbereich 13 so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass Wärme vom Katalysator 15 auch direkt auf beziehungsweise in die Verdamp fungszone 45 abgestrahlt wird. Dies führt dazu, dass im Betrieb des Reformers 3 durch die Wärmestrahlung des Katalysators 15 die Verdampfungszone 45 aufgeheizt wird, um so die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs zu unterstützen. Zusätzliche Maßnahmen, die zum Aufbringen der Verdampfungswärme erforderlich sind, können dementsprechend reduziert werden. Beispielsweise ist denkbar, die Verdampfungszone 45 mit einer elektrischen Heizeinrichtung auszustatten. Je nach Strahlungsleistung des Katalysators 15 kann die elektrische Energiezufuhr zu dieser Zusatzheizung entsprechend reduziert werden. Zusätzlich oder alternativ kann zur Aufheizung des flüssigen Brennstoffs vorgesehen sein, dass im Gemischbildungsbereich 12 ein Teil des Kraftstoffs, insbesondere mit kalter Flamme, verbrannt wird, um hierdurch die erforderliche Wärmeenergie bereitzustellen. Durch die direkt auf die Verdampfungszone 45 abgestrahlte Wärme des Katalysators 15 kann hier der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
  • Durch die vorgeschlagene Bauweise, die eine direkte Wärmeeinstrahlung vom Katalysator 15 in die Mischkammer 14 beziehungsweise in die Verdampfungszone 45 erlaubt, kann die Effizienz des Reformers 3 und somit der Wirkungsgrad des damit ausgestatteten Brennstoffzellensystems 1 verbessert werden.

Claims (5)

  1. Reformer zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Brenngases aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator, insbesondere für ein, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnetes, Brennstoffzellensystem (1), – mit einem Gemischbildungsbereich (12), der eine Mischkammer (14) enthält, in der im Betrieb des Reformers (3) zumindest aus dem Kraftstoff und dem Oxidator ein Gemisch gebildet wird, – mit einem Umsetzungsbereich (13), der zumindest einen Katalysator (15) aufweist, der im Betrieb des Reformers (3) das Gemisch durch partielle Oxidation in das Brenngas umsetzt, – wobei Gemischbildungsbereich (12) und Umsetzungsbereich (13) so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass im Betrieb des Reformers (3) Wärme vom Katalysator (15) direkt in die Mischkammer (14) abstrahlt.
  2. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eintrittsende (42) des Katalysators (15) und ein Austrittsende (43) der Mischkammer (14) direkt aneinandergrenzen oder zusammenfallen.
  3. Reformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der Gemischbildungsbereich (12) zumindest an einem Eintrittsende (44) der Mischkammer (14) eine Verdampfungszone (45) aufweist, in der im Betrieb des Reformers (3) zugeführter flüssiger Kraftstoff verdampft, – dass der Gemischbildungsbereich (12) und der Umsetzungsbereich (13) so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass im Betrieb des Reformers (3) Wärme vom Katalysator (15) direkt auf die Verdampfungszone (45) abstrahlt.
  4. Reformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verdampfungszone (45) einen porösen Verdampfungskörper (46) aufweist, in dem sich der zugeführte flüssige Kraftstoff auf einer großen Oberfläche verteilt, – dass im Betrieb des Reformers (3) der Katalysator (15) Wärme direkt auf den Verdampfungskörper (46) abstrahlt.
  5. Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, – mit einem Reformer (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2) zum Generieren von elektrischem Strom aus dem als Anodengas zugeführten Brenngas des Reformers (3) und Sauerstoffgas enthaltendem Kathodengas.
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