DE102010010823A1

DE102010010823A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102010010823A1
Application number: DE102010010823A
Authority: DE
Inventors: Dr. Steinwandel Jürgen; Dr. Wolff Christian
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord eines mit einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeuges, wobei der Wasserstoff durch Dehydrogenierung eines aus einem Brennstoffreservoir (12) für die Brennkraftmaschine stammenden und einem Reaktor (20) zur Dehydrogenierung zugeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes (a1) erzeugt wird. Zur Steigerung der Effizienz des Dehydrogenierungsprozesses ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der dem Reaktor (20) zugeführte Kohlenwasserstoff-Brennstoff (a1) als eine von mehreren Fraktionen (a1, a2) bereitgestellt wird, die durch Fraktionierung (16) eines aus dem Brennstoffreservoir (12) entnommenen Brennstoffes (A) erzeugt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord eines mit einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeuges, wobei der Wasserstoff durch Dehydrogenierung eines aus einem Brennstoffreservoir für die Brennkraftmaschine stammenden und einem Reaktor zur Dehydrogenierung zugeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes erzeugt wird.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der DE 10 2007 060 512 A1 bekannt. Gemäß dieses Stands der Technik wird Kerosin aus einem für ein Flugzeugtriebwerk vorgesehenen Kerosintank (Brennstoffreservoir) entnommen und dem Reaktor zur Dehydrogenierung zugeführt. Der bei der Dehydrogenierung erzeugte Wasserstoff kann zum Betreiben von Hilfsaggregaten verwendet werden. Ein bei der (partiellen) Dehydrogenierung erzeugter bzw. verbleibender Restbrennstoff wird zum Kerosintank zurückgeleitet.
Eine Wasserstofferzeugung durch (partielle) Dehydrogenierung ist außerdem in der DE 10 2005 044 926 B3 beschrieben. Diese spezielle Art der Wasserstofferzeugung basiert im Allgemeinen auf der endotherm verlaufenden Reaktion C_nH_x -> H₂ + C_nH_x-2 und besitzt eine ganze Reihe von Vorteilen.
Problematisch ist jedoch die Erzielung einer hohen Reaktionsausbeute bzw. Reaktionsrate sowie die Erzeugung von Wasserstoff mit hoher Reinheit. Um derartige Leistungseigenschaften zu verbessern, widmet sich die oben bereits erwähnte DE 10 2007 060 512 A1 insbesondere einer Optimierung der verwendeten Prozessbedingungen bzw. Prozessparameter, und schlägt diesbezüglich vor, die Dehydrogenierung in der superkritischen Phase des betreffenden Brennstoffes (z. B. Kerosin) ablaufen zu lassen.
Derartige Verbesserungen erfordern mehr oder weniger großen Aufwand, der insbesondere bei der hier anvisierten mobilen Wasserstofferzeugung an Bord eines Fahrzeuges unter Umständen nachteilig ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Weg zur Verbesserung der Leistungseigenschaften bei einer Wasserstofferzeugung der eingangs genannten Art aufzuzeigen. Insbesondere soll ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur mobilen Erzeugung von Wasserstoff mit hoher Reaktionsausbeute und hoher Produktreinheit ermöglicht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass der dem Reaktor zuzuführende Kohlenwasserstoff-Brennstoff als eine von mehreren Fraktionen bereitgestellt wird, die durch Fraktionierung eines aus dem Brennstoffreservoir entnommenen Brennstoffes erzeugt werden.
Bei der Erfindung wird somit der bordeigene Brennstoff (z. B. Kerosin zur Versorgung eines Strahltriebwerkes) nicht direkt einer (partiellen) Dehydrogenierung unterzogen, sondern zunächst einer ”Vorfraktionierung” unterzogen, um sodann (wenigstens) eine besonders geeignete Fraktion aus dem Fraktionierungsprozess der Dehydrogenierung zuzuführen. Durch die selektive Nutzung einer Fraktion des betreffenden Brennstoffes als Edukt der Dehydrogenierungsreaktion lassen sich vorteilhaft die Reaktionsausbeute und Produktreinheit erheblich verbessern.
Vorteilhaft behindert die erfindungsgemäße Maßnahme in keiner Weise andere, insbesondere an sich bekannte Maßnahmen zur Verbesserung der Leistungseigenschaften. Die erfindungsgemäß vorgesehene ”Vorfraktionierung” kann somit ohne weiters mit Maßnahmen zur Effizienzsteigerung kombiniert werden, wie sie z. B. bereits in der oben erwähnten DE 10 2005 044 926 B3 oder DE 10 2007 060 512 A1 beschrieben sind.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fraktionierung eine destillative Fraktionierung umfasst, bei welcher der Brennstoff zunächst (wenigstens teilweise) verdampft wird und der dadurch entstandene gasförmige Brennstoff(anteil) sodann in kontrollierter Weise unter Erzeugung einer oder mehrerer Fraktionen kondensiert wird, welche sich hinsichtlich der Siede- bzw. Kondensationstemperatur voneinander unterscheiden. Die destillative Fraktionierung kann insbesondere als Gegenstromdestillation vorgesehen sein, bei welcher der gasförmige Brennstoffdampf im Gegenstrom wenigstens ein Mal, oder mehrfach hintereinander mit bereits kondensiertem Brennstoff in Kontakt gebracht wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fraktionierung eine Abkühlungsfraktionierung umfasst, bei welcher der Brennstoff auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt wird, so dass ein Gemisch aus Brennstoffanteilen mit unterschiedlicher Konsistenz (z. B. einerseits flüssige Anteile, andererseits zähflüssige Anteile) entsteht, welche basierend auf dieser unterschiedlichen Konsistenz voneinander getrennt werden. Bei einem solchen Fraktionierungsprozess erfolgt gewissermaßen ein ”Ausfrieren” von Brennstoffanteilen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fraktionierung eine Fraktionierung mittels wenigstens einer semipermeablen Membran umfasst. In diesem Fall basiert die Trennung des Brennstoffes in einzelne Fraktionen auf einer verschiedenen Durchlässigkeit einer Membran bzw. Grenzfläche für verschiedene Brennstoffkomponenten, die sich z. B. hinsichtlich ihrer Molmasse unterscheiden. Als Material zur Bildung einer solchen Membran, die z. B. zur Fraktionierung von Kerosin geeignet ist, kann z. B. ein Polymermaterial wie Polysulfon oder ein Zeolith verwendet werden.
Die vorstehend erläuterten Fraktioniermethoden (destillative Fraktionierung, Fraktionierung durch Abkühlen, Fraktionierung mittels einer Membran bzw. Zeolith), oder auch andere Fraktioniermethoden, können im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden und können jeweils einstufig oder mehrstufig vorgesehen sein. Bei einer mehrstufigen Fraktionierung wird wenigstens eine bei einem ersten Fraktionierschritt erhaltene Fraktion einem weiteren Fraktionierschritt unterzogen. Dementsprechend kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass die als der Kohlenwasserstoff-Brennstoff dem Reaktor zugeführte Fraktion durch einen solchen mehrstufigen Fraktionierprozess erzeugt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Fraktionierung eine Kombination aus einer destillativen Fraktionierung und einer Membran-basierten Fraktionierung. Insbesondere in diesem Fall kann die Membran-basierte Fraktionierung eine Auftrennung des Brennstoffes (bzw. einer Brennstofffraktion) in gasförmiger Phase vorsehen. Alternativ können auch andere Fraktioniermethoden in einer Kombination vorgesehen sein.
Der hier verwendete Begriff einer ”ombination von Fraktioniermethoden” soll keineswegs auf solche Kombinationen eingeschränkt sein, bei welchen zunächst eine Fraktioniermethode angewendet wird und eine daraus entstehende Fraktion einer anderen Fraktioniermethode unterworfen wird. Vielmehr soll dieser Begriff auch geeignete ”Verschachtelungen” umfassen, beispielsweise dergestalt, dass ein der Fraktionierung zugeführter Brennstoff zunächst (wenigstens teilweise) verdampft wird, der dadurch entstandene gasförmige Brennstoffanteil sodann einer Membran-basierten Fraktionierung unterzogen wird, und schließlich eine der daraus resultierenden Fraktionen wieder kontrolliert abgekühlt wird, um eine oder mehrere Fraktionen auszukondensieren. In diesem Beispiel ist die Membran-Fraktionierung gewissermaßen in den destillativen Fraktionierungsprozess integriert (und diesem Prozess nicht vor- oder nachgeschaltet).
Kerosin ist ein Gemisch, welches im Wesentlich aus aliphatischen, alizyklischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen besteht, wobei insbesondere die für den Betrieb von Luftfahrzeugen vorgesehenen Kerosinarten zumeist auch eine Reihe von Additiven (z. B. Antioxidantien, Frostschutzmittel, Lecksuchhilfsmittel etc.) enthalten. Aufgrund der Vielzahl der im Kerosin enthaltenen Komponenten können bei einer direkten Zufuhr des Kerosins zu einem in dem Reaktor stattfindenden Dehydrogenierungsprozess (wie dies im Stand der Technik vorgesehen ist) prinzipiell keine für alle Kerosinkomponenten optimierten Prozessbedingungen gewählt werden. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme einer ”Vorfraktionierung” des vorhandenen Brennstoffes wird eine solche Anpassung bzw. Optimierung der Prozessbedingungen an die tatsächlich verwendete Brennstofffraktion jedoch vorteilhaft möglich. Dieser Vorteil ist unabhängig von der betreffenden Art von Brennstoff (solange es sich um ein fraktionierbares Gemisch aus mehreren Brennstoffkomponenten handelt).
Das im Kerosin (wie z. B. auch in Diesel bzw. Schwerbenzin) enthaltene ”Methyl- bzw. Ethyl-Cyclohexan” als Edukt der Dehydrogenierungsreaktion zu verwenden, ist darüber hinaus mit besonderen Vorteilen verbunden. Es hat sich z. B. herausgestellt, dass der Dehydrogenierungsprozess insbesondere für diese Kersosinkomponente besonders effektiv ist, so dass der Wasserstoff mit besonders großer Reaktionsausbeute und Produktreinheit entsteht.
Daher ist bei Verwendung von Kerosin als Kraftstoff für die Brennkraftmaschine des betreffenden Fahrzeuges eine Fraktionierung besonders interessant, welche eine mehr oder weniger selektive Nutzung der Komponente ”Ethyl-Cyclohexan” und/oder der Komponente ”Methyl-Cyclohexan” bei der im Reaktor stattfindenden Dehydrogenierung ermöglicht. In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Brennstoffreservoir für eine mit Kerosin betriebene Brennkraftmaschine vorgesehen ist und die als Kohlenwasserstoff-Brennstoff für den Reaktor bereitgestellte Fraktion des Kerosins einen überhöhten Anteil an Ethyl-Cyclohexan und/oder Methyl-Cyclohexan enthält (bezogen auf den jeweiligen Anteil im Kerosin, welches sich im Brennstoffreservoir befindet).
In einer Weiterbildung einer an Kerosin oder dergleichen durchgeführten Fraktionierung ist vorgesehen, dass die Summe der Anteile (z. B. Gewichtsanteile) an Ethyl-Cyclohexan und Methyl-Cyclohexan in der dem Reaktor zugeführten Fraktion größer als 70%, insbesondere größer als 90% ist und/oder das Verhältnis dieser Anteilsumme zum Gesamtanteil aller anderen Kraftstoffkomponenten in der zur Dehydrogenierung verwendeten Fraktion um einen Faktor von mindestens 2, insbesondere mindestens 3, überhöht ist (im Vergleich zum Verhältnis des Anteils an Ethyl-Cyclohexan und Methyl-Cyclohexan zum Anteil aller übrigen Kraftstoffkomponenten im noch nicht fraktionierten Kraftstoff) und/oder der Anteil an restlichen Komponenten durch die Fraktionierung zumindest halbiert, insbesondere zumindest gedrittelt wird.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme einer Vorfraktionierung des betreffenden Kraftstoffes vor Zufuhr eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes (Fraktion) zum Reaktor ergeben sich für vorgegebene Leistungseigenschaften der Wasserstofferzeugung vorteilhaft geringere Anforderungen hinsichtlich der Einstellung von Prozessparametern (z. B. Temperatur und Druck) im Reaktor. Dieser Umstand kann z. B. zur Vereinfachung derjenigen Vorrichtungskomponenten genutzt werden, welche für die Einhaltung bzw. Einstellung vorbestimmter Prozessparameter der Dehydrogenierung vorgesehen sind (z. B. Ventile, Heizeinrichtung(en), Wärmetauscher etc.).
Aufgrund des endothermen Charakters der Dehydrogenierungsreaktion muss der dem Reaktor zugeführte Kohlenwasserstoff-Brennstoff spätestens im Reaktor in der Regel geheizt werden, damit die Reaktion mit brauchbarer Reaktionsrate abläuft. In dieser Hinsicht ermöglicht die Erfindung beispielsweise vorteilhaft eine gewisse Absenkung der ansonsten (nach dem Stand der Technik) erforderlichen Reaktionstemperatur. Insbesondere bei Verwendung einer oder mehrerer Kerosinkomponenten für die Dehydrogenierung kann die Dehydrogenierung gemäß einer Ausführungsform z. B. bei einer Reaktionstemperatur von weniger als 400°C, insbesondere weniger als 300°C ablaufen gelassen werden.
Bei einer Verwendung eines Katalysators im Reaktor besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, dass dieser Katalysator besser nutzbar ist bzw. die Selektivität eines jeden Katalysators hier besser ausgenutzt werden kann. In diesem Zusammenhang ergibt sich auch eine bessere Temperatur-Effizienz des betreffenden Katalysators, d. h. es können hohe Reaktionsgeschwindigkeiten in der Regel schon bei vergleichsweise geringen Temperaturen erzielt werden. Vorteilhaft ist damit eine Führung der Dehydrogenierungsreaktion mit hohen Ausbeuten insbesondere unterhalb der Verkokungstemperatur (ca. 450–550°C). Außerdem lässt sich für den Katalysator vorteilhaft eine Vergiftung durch Schwefel (welcher z. B. in Kerosin enthalten ist) vermeiden, indem schwefelhaltige Kerosinkomponenten mehr oder weniger vollständig in die zur Dehydrogenierung nicht verwendete Fraktion geleitet werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine durch die Fraktionierung des Brennstoffes erzeugte, jedoch nicht dem Reaktor zugeführte Fraktion zum Brennstoffreservoir zurückgeleitet wird.
Auch kann vorgesehen sein, dass ein bei der Dehydrogenierung erzeugter Restbrennstoff zum Brennstoffreservoir zurückgeleitet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord eines mit einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeuges, umfassend einen aus einem Brennstoffreservoir für die Brennkraftmaschine mit einem Kohlenstoff-Brennstoff versorgbaren Reaktor zur Dehydrogenierung des dem Reaktor zugeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, um den Wasserstoff zu erzeugen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Fraktioniereinrichtung zur Erzeugung mehrerer Fraktionen eines aus dem Brennstoffreservoir entnommenen Brennstoffes umfasst, von denen eine Fraktion als der Kohlenwasserstoff-Brennstoff dem Reaktor zugeführt wird.
Die oben bereits für das Verfahren beschriebenen besonderen Ausführungsformen können in analoger Weise, einzeln oder in Kombination, auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen sein.
So kann die Fraktioniereinrichtung beispielsweise zur Durchführung einer destillativen und/oder einer Membran-basierten Fraktionierung und/oder einer ”ausfrierenden” Fraktionierung ausgebildet sein.
Falls das Brennstoffreservoir für eine mit Kerosin betriebene Brennkraftmaschine vorgesehen ist, oder einen anderen ”Ethyl-Cyclohexan” und/oder ”Methyl-Cyclohexan” enthaltenden Kraftstoff, so kann die Fraktioniereinrichtung zur Erhöhung des (relativen) Anteils an Ethyl-Cyclohexan und/oder zur Erhöhung des (relativen) Anteils an Methyl-Cyclohexan in der für den Reaktor bereitgestellten Fraktion geeignet ausgebildet sein.
Die Vorrichtung kann eine erste Brennstoffzuleitung zur Zuleitung von Brennstoff aus dem Brennstoffreservoir zur Fraktioniereinrichtung und eine zweite Brennstoffzuleitung zur Zuleitung von (wenigstens) einer mittels der Fraktioniereinrichtung erzeugten Brennstofffraktion zum Reaktor aufweisen. Darüber hinaus kann die Vorrichtung (wenigstens) eine erste Brennstoffrückleitung zur Rückleitung einer mittels der Fraktioniereinrichtung erzeugten, jedoch für die Dehydrogenierung nicht verwendeten Brennstofffraktion zum Brennstoffreservoir und/oder eine zweite Brennstoffrückleitung zur Rückleitung von bei der Dehydrogenierung erzeugten Restbrennstoffes zum Brennstoffreservoir aufweisen.
Die Fraktioniereinrichtung kann eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des zugeführten Brennstoffes (oder einer daraus bereits gewonnenen Fraktion) auf eine Temperatur umfassen, welche zumindest der höchsten Siedetemperatur der Bestandteile der für den Reaktor bereitzustellenden Fraktion entspricht (oder noch höher gewählt ist), um eine nachfolgende Abtrennung der gewünschten Fraktion in der Gasphase zu bewerkstelligen, z. B. mittels eines destillativen Prozesses und/oder mittels eines auf selektiver Permeabilität einer Grenzfläche bzw. Membran beruhenden Prozesses.
Alternativ oder zusätzlich kann die Fraktioniereinrichtung auch eine Kühleinrichtung zum Kühlen des zugeführten Brennstoffes (oder einer daraus bereits gewonnenen Fraktion) auf eine Temperatur umfassen, bei der ein Teil ”ausfriert”, also z. B. von einer flüssigen in eine zähflüssige Konsistenz gewandelt wird.
Ein destillativer Fraktionierprozess kann z. B. in einer oder mehreren hintereinander geschalteten ”Fraktioniersäulen” erfolgen, wie sie an sich insbesondere aus dem Bereich der Erdölraffination bekannt sind. Eine solche Säule kann z. B. als ein im Wesentlichen zylindrischer Behälter ausgebildet sein, der von unten her mit zumindest teilweise verdampftem Brennstoff beschickt wird, wobei gasförmige Brennstoffkomponenten den Behälter nach oben durchströmen, und wobei an wenigstens einer Stelle im Strömungsverlauf durch gesteuert temperierte Einbauten eine gezielte Kondensation von Brennstoffkomponenten und deren Abfuhr aus dem Behälter bewerkstelligt wird. Im einfachsten Fall bilden eine oder mehrere solcher abgeführten Brennstoffkomponenten die dem Reaktor zuzuführende Fraktion. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere solche Fraktionen wenigstens einem weiteren Fraktionierschritt zugeführt werden, um die Fraktioniergenauigkeit der Einrichtung zu erhöhen.
Der Reaktor kann eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des dem Reaktor zugeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes auf eine Reaktionstemperatur aufweisen, die z. B. größer als 150°C, insbesondere größer als 300°C sein kann. Durch geeignete Mittel wie Pumpeinrichtungen, Druckhalteventile bzw. einstellbare Ventile etc. kann darüber hinaus ein gewünschter Reaktionsdruck der Dehydrogenierungsreaktion eingestellt werden. Der Reaktionsdruck kann beispielsweise größer als 1 bar, insbesondere größer als 5 bar gewählt sein. Eine in superkritischer Phase ablaufende Dehydrogenierungsreaktion, wie z. B. in der oben erwähnten DE 10 2007 060 512 A1 beschrieben, ist im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur mobilen Erzeugung von Wasserstoff gemäß eines Ausführungsbeispiels,
2 eine detailliertere Darstellung einer Fraktioniereinrichtung in der Vorrichtung von 1,
3 eine detailliertere Darstellung eines Reaktors in der Vorrichtung von
1,
4 eine detailliertere Darstellung einer Fraktioniereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, und
5 eine detailliertere Darstellung einer Fraktioniereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
1 veranschaulicht eine Vorrichtung 10 zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord eines mit einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeuges.
Der Begriff Fahrzeug ist sehr breit zu verstehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich z. B. um ein Flugzeug, welches mit einem Strahltriebwerk (Brennkraftmaschine) ausgerüstet ist, die zum Antrieb des Flugzeuges dient und in an sich bekannter Weise mit Kerosin aus einem Kerosintank 12 betrieben wird.
Das Strahltriebwerk und dessen Versorgung mit flüssigem Kerosin aus dem Kerosintank 12 sind in der Figur nicht dargestellt. Wesentlich für die Erfindung ist die zusätzliche Nutzung des Brennstoffes (hier: Kerosin) für die Erzeugung von Wasserstoff an Bord des Flugzeuges. Der erzeugte Wasserstoff kann z. B. für Hilfsaggregate wie z. B. eine ebenfalls an Bord des Flugzeuges befindliche Brennstoffzelleneinrichtung verwendet werden.
Hierfür kann flüssiges Kerosin, in den Figuren mit ”A” bezeichnet, über eine erste Brennstoffzuleitung 14 in gesteuerter Weise (bedarfsgerecht) einer Fraktioniereinrichtung 16 zugeführt werden, in welcher eine Fraktionierung (Trennung) des Kerosins A in zwei Kerosinfraktionen ”a1” und ”a2” erfolgt, die an einer Ausgangsseite der Fraktioniereinrichtung 16 bereitgestellt werden.
Die Fraktion a1 wird (bevorzugt in gesteuerter Weise) über eine zweite Brennstoffzuleitung 18 einem Reaktor 20 zugeführt, wohingegen die zweite Fraktion a2 (bevorzugte in gesteuerter Weise) über eine erste Brennstoffrückleitung 22 zum Kerosintank 12 zurückgeleitet wird. Alternativ kann die zweite Fraktion a2 auch direkt zur Brennkraftmaschine (z. B. Strahltriebwerk) geleitet werden.
Der Reaktor 20 dient zur Dehydrogenierung des als Fraktion a1 dem Reaktor 20 zugeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, um Wasserstoffgas (H₂) zu erzeugen und an einem Wasserstoffauslass 24 des Reaktors 20 bereitzustellen. Optional wird das erzeugte Wasserstoffgas vor seiner Verwendung (z. B. in einer Brennstoffzelle) einer Weiterbehandlung wie z. B. einem Reinigungsprozess unterzogen.
Ein bei der Dehydrogenierungsreaktion im Reaktor 20 etwaig erzeugter bzw. verbleibender Restbrennstoff ”b” wird über eine zweite Brennstoffrückleitung 26 zum Kerosintank 12 zurückgeleitet.
Die Dehydrogenierungsreaktion, bei welcher dem als Fraktion a1 zugeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoff unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, bevorzugt katalytisch unterstützt, unter Ausbildung von C-C-Doppelbindungen Wasserstoff entzogen wird, ist mittels der dargestellten Vorrichtung 10 besonders effizient zu bewerkstelligen. Dies deshalb, weil durch die ”Vorfraktionierung” des verwendeten Brennstoffes in der Fraktioniereinirichtung 16 ein für die Dehydrogenierungsreaktion besonders geeigneter Kohlenwasserstoff-Brennstoff, hier die Fraktion a1, erzeugt werden kann, und darüber hinaus die Randbedingungen der Dehydrogenierungsreaktion (insbesondere Reaktionstemperatur, Reaktionsdruck und Verweilzeit) im Reaktor 20 optimal auf den dem Reaktor tatsächlich zugeführten Brennstoff abgestimmt werden können.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel enthält die für die Dehydrogenierung bereitgestellte Fraktion a1 einen (bezogen auf die Zusammensetzung des Kerosins im Kerosintank 12) erhöhten Anteil an Ethyl-Cyclohexan und Methyl-Cyclohexan.
Wenn der Anteil dieser Cyclohexan-Komponenten im Kraftstoff (hier: Kerosin A) beispielsweise im Bereich von 25 bis 35 Gew.-% liegt, so beträgt dieser Anteil in der Fraktion a1 im dargestellten Ausführungsbeispiel mehr als 70 Gew.-%, bevorzugt sogar mehr als 90 Gew.-%.
Das mit der Vorrichtung 10 realisierte Verfahren zur mobilen Wasserstofferzeugung an Bord eines Flugzeuges nutzt wie die aus dem Stand der Technik bekannten Dehydrogenierungsverfahren einen aus einem Brennstoffreservoir für die ohnehin vorhandene Brennkraftmaschine stammenden Kohlenwasserstoff-Brennstoff, der jedoch gemäß der Erfindung nicht unmittelbar dem Dehydrogenierungsreaktor 20 zugeführt wird, sondern zunächst einer Fraktionierung unterzogen wird, um eine aus mehreren Fraktionen gezielt ausgewählte Fraktion (hier: a1) der Dehydrogenierung zu unterziehen.
Bei vorgegebenem konstruktiven Aufwand kann die erfindungsgemäße Wasserstofferzeugung somit eine beträchtlich gesteigerte Reaktionsrate bzw. Reaktionsausbeute und Wasserstoffreinheit erzielen.
Nachfolgend werden mit Bezug auf die 2 und 3 lediglich beispielhaft die Ausgestaltungen der Fraktioniereinrichtung 16 (2) und des Reaktors 20 (3) näher erläutert.
2 veranschaulicht die an einem Eingang mit Kerosin A versorgte Fraktioniereinrichtung 16. Die Zufuhr erfolgt über eine (steuerbare) Pumpe 30 zunächst zu einer Heizeinrichtung 32, in welcher das Kerosin A auf etwa 300°C erwärmt wird, so dass dieses nahezu vollständig verdampft. Sodann tritt das Kerosin A in eine Fraktioniersäule 34 ein, in welcher in an sich bekannter Weise durch speziell angeordnete und temperierte Einbauten eine Fraktionierung in verschiedene Kerosinfraktionen erfolgt, welche die Fraktioniersäule 34 an verschiedenen Stellen verlassen und sich in deren Siedetemperaturen (bzw. Kondensationstemperaturen) unterscheiden. Als Einbauten sind in 2 so genannte Glockenböden 36-1 bis 36-4 symbolisiert, welche in dieser Reihenfolge wie dargestellt von unten nach oben in der Fraktioniersäule 34 angeordnet sind und auf konstante Temperaturen von 155°C, 145°C, 135°C bzw. 125°C temperiert sind. In diesem Fall wird die im Bereich der Glockenböden 36-3 über eine Pumpe 38 extrahierte Fraktion a1 Kerosinkomponenten mit Siedepunkten im Bereich von 125°C bis 135°C enthalten, also insbesondere das bereits erwähnte Ethyl-Cyclohexan mit einem Siedepunkt von etwa 131°C (bei 1013 hPa). Aus dem Bodenbereich der Fraktioniersäule 34 treten Komponenten mit einem demgegenüber höheren Siedepunkt über eine Pumpe 40 aus, und aus dem oberen Bereich, überhalb der Glockenböden 36-4, verlassen Komponenten mit einem demgegenüber niedrigeren Siedepunkt über eine Pumpe 42 die Fraktioniersäule 34. Die über die Pumpen 40 und 42 extrahierten Fraktionen werden zusammengeführt und als die Fraktion a2 bereitgestellt.
Es versteht sich, dass bei Verwendung eines anderen Kraftstoffes als Kerosin, also z. B. Benzin, Diesel etc., ein anderer Siedepunktbereich (als der hier verwendete Bereich von 125°C bis 135°C) für die dem Reaktor zuzuführende Brennstofffraktion bevorzugt sein kann.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die destillierte Fraktionierung bei Normaldruck (1 bar) durchgeführt. Es versteht sich, dass davon abweichend die Fraktionierung auch bei einem anderen (gegebenenfalls eingestellten) Druck durchgeführt werden kann. In diesem Fall verschieben sich die Siedepunkte der einzelnen Kraftstoffkomponenten entsprechend (gemäß deren Dampfdruckkurven), was dann bei der Temperierung der Glockenböden 36-1 bis 36-4 entsprechend zu berücksichtigen ist.
3 veranschaulicht den Reaktor 20 zur Dehydrogenierung der zugeführten Fraktion a1 und somit Erzeugung von Wasserstoff am Wasserstoffauslass 24 und Restbrennstoff b an einem Restbrennstoffauslass, der in die zweite Brennstoffrückleitung 26 mündet. Die Zufuhr erfolgt über eine Pumpe 44 zunächst zu einer Heizeinrichtung 46, welche die Fraktion a1 auf die erforderliche Reaktionstemperatur (z. B. 150°C bis 600°C) bringt. Ein gewünschter Reaktionsdruck, beispielsweise im Bereich von 1 bar bis 10 bar, kann durch das Zusammenspiel der Ansteuerung der Pumpe 44 und eines einstellbaren Druckhalteventils 48 in der Rückleitung 26 eingestellt werden. Die Dehydrogenierungsreaktion findet in einem Reaktorinnenraum 50 statt, in welchem bevorzugt wie in der Figur symbolisiert ein Katalysator 52 untergebracht ist und welcher über eine selektiv permeable Membran 54 mit einem Wasserstoffsammelraum 56 in Verbindung steht, welcher in den Wasserstoffauslass 24 mündet. Die Membran 54, beispielsweise bestehend oder enthaltend eine Palladium/Silber-Legierung, besitzt eine große Permeabilität für den bei der Dehydrogenierung entstehenden Wasserstoff bei gleichzeitig hohem Rückhaltevermögen für den Restbrennstoff b.
Die vorstehend mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebene Vorrichtung 10 bzw. das damit bewerkstelligte Verfahren zur Wasserstofferzeugung kann mit vorteilhaft großer Effizienz in Fahrzeugen vielfältiger Art verwendet werden. In einer bevorzugten Verwendung handelt es sich hierbei um ein Luftfahrzeug wie z. B. ein Flugzeug oder einen Hubschrauber. Denkbar ist jedoch auch eine Verwendung in einem Landfahrzeug oder Wasserfahrzeug.
Bei der Brennkraftmaschine des betreffenden Fahrzeuges kann es sich im Falle eines Land- oder Wasserfahrzeuges insbesondere um einen Ottomotor oder Dieselmotor handeln, der dem Fahrzeugantrieb dient. Im Falle eines Luftfahrzeuges kann die Brennkraftmaschine darüber hinaus auch z. B. von einem Strahltriebwerk gebildet sein.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 4 beispielhaft eine Fraktioniereinrichtung 16' beschrieben, die gegenüber der bereits mit Bezug auf die 2 beschriebenen Fraktioniereinrichtung 16 modifiziert ist und ebenfalls z. B. in einer Anordnung der in 1 dargestellten Art eingesetzt werden kann. Die Fraktioniereinrichtung 16' besitzt eingangsseitig ebenfalls eine steuerbare Pumpe 30' mit nachgeschalteter Heizeinrichtung 32'. Die eigentliche Fraktionierung erfolgt sodann jedoch in einer Fraktionierkolonne 60', deren Innenraum wie dargestellt durch mehrere selektiv permeable Membranen 62'-1 bis 62'-3 in mehrere Teilräume untergliedert ist, um eine mehrstufige (hier: 3-stufige) Membran-basierte Fraktionierung des zugeführten Kerosins A zu bewerkstelligen. Die für die Dehydrogenierung benötigte Fraktion a1 wird am Ende der Fraktionierkolonne 60' über eine Pumpe 38' abgegeben. Nicht hierfür verwendete Fraktionen werden aus den betreffenden Teilräumen über Pumpen 64'-1 bis 64'-3 wie dargestellt zusammengeführt und gemeinsam als die Fraktion a2 abgeführt.
Falls die Fraktionierung eine Kombination umfassend eine destillative Fraktionierung und eine Membran-basierte Fraktionierung darstellt, wie sie beispielsweise durch eine Kombination der Fraktioniereinrichtungen 16 und 16' gemäß der 2 bzw. 4 durchgeführt werden kann, so ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass der zugeführte Brennstoff zunächst verdampft, dann Membranbasiert fraktioniert, und dann destillativ fraktioniert wird, um die für den Reaktor benötigte Fraktion zu erhalten. Diese Reihenfolge der beiden Fraktionierarten besitzt den Vorteil, dass eine eingangsseitig durchgeführte Erwärmung zwecks Verdampfung des Brennstoffes für beide Fraktionierungen genutzt werden kann. Es erübrigt sich dann eine eigene Heizeinrichtung am Eingang der destillativen Fraktionierung. In diesem Fall würde also die am Ausgang der Einrichtung 16' von 4 entstehende Fraktion ”a1” an die Einrichtung 16 gemäß 2 weitergeleitet, und die ausgangsseitig an der Einrichtung 16 von 2 entstehende Fraktion ”a1” zum Reaktor geführt.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 5 beispielhaft eine weitere Fraktioniereinrichtung 16'' beschrieben, welche nach dem Prinzip einer Fraktionierung durch Abkühlen arbeitet und ebenfalls z. B. in einer Anordnung der in 1 dargestellten Art eingesetzt werden kann (sei es als einzige Fraktioniereinrichtung oder in Kombination mit wenigstens einer weiteren Fraktioniereinrichtung, wie z. B. einer Fraktioniereinrichtung der mit Bezug auf die 2 und 4 bereits beschriebenen Art).
Die Fraktioniereinrichtung 16'' besitzt eingangsseitig eine steuerbare Pumpe 30'' mit nachgeschaltetem Vorkühler 70'' und diesem wiederum nachgeschaltetem Hauptkühler 72'', um das hier in flüssiger Phase zugeführte Kerosin A (mit einer Temperatur T0 auf eine niedrigere Temperatur T1 (nach dem Vorkühler 70'') und schließlich auf eine noch niedrigere Temperatur T2 (nach dem Hauptkühler 72'') abzukühlen.
Das abgekühlte Kerosin gelangt sodann in eine Separationskammer 74'', in welcher eine Separation in verschiedene Kerosinfraktionen erfolgt, hier beispielsweise eine Separation in eine flüssige, für die Dehydrogenierung verwendete Fraktion a1 und die zähflüssige, zurückzuführende Fraktion a2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Separation schwerkraftbedingt durch ein ”Aufschwimmen” der Fraktion a1 auf der Fraktion a2. Die Fraktion a1 wird in einem oberen Bereich der Separationskammer 74'' über eine Pumpe 76'' abgepumpt, wohingegen die Fraktion a2 über eine weitere Pumpe 78'' aus einem unteren Bereich der Separationskammer 74'' extrahiert wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Fraktion a1 insbesondere einen erhöhten Anteil an Ethyl-Cyclohexan (im Vergleich zum zugeführten Brennstoff A) aufweisen, was die Effizienz der damit bewerkstelligten Dehydrogenierungsreaktion positiv beeinflusst.
Zur Steigerung der Energieeffizienz der in 5 dargestellten Fraktioniereinrichtung 16'' kann die Fraktion a1 und/oder die Fraktion a2 vor der betreffenden Weiterverwendung über den als Wärmetauscher ausgebildeten Vorkühler 70'' geführt werden, um durch einen Wärmetransfer vom Brennstoff A zur Fraktion a1 bzw. a2 im Bereich des Vorkühlers 70'' diese Vorkühlung zu bewerkstelligen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007060512 A1 [0002, 0004, 0009, 0033]
DE 102005044926 B3 [0003, 0009]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord eines mit einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeuges, wobei der Wasserstoff durch Dehydrogenierung eines aus einem Brennstoffreservoir (12) für die Brennkraftmaschine stammenden und einem Reaktor (20) zur Dehydrogenierung zugeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes (a1) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Reaktor (20) zugeführte Kohlenwasserstoff-Brennstoff (a1) als eine von mehreren Fraktionen (a1, a2) bereitgestellt wird, die durch Fraktionierung (16) eines aus dem Brennstoffreservoir (12) entnommenen Brennstoffes (A) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fraktionierung (16) eine destillative Fraktionierung umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fraktionierung (16) eine Fraktionierung mittels wenigstens einer semipermeablen Membran umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fraktionierung (16) eine Fraktionierung durch Abkühlen umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Brennstoffreservoir (12) für eine mit Kerosin (A) betriebene Brennkraftmaschine vorgesehen ist und die als Kohlenwasserstoff-Brennstoff (a1) für den Reaktor bereitgestellte Fraktion des Kerosins (A) einen erhöhten Anteil an Ethyl-Cyclohexan und/oder einen erhöhten Anteil an Methyl-Cyclohexan enthält.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Dehydrogenierung bei einer Reaktionstemperatur unter 500°C, insbesondere weniger als 400°C ablaufen gelassen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine durch die Fraktionierung (16) des Brennstoffes (A) erzeugte, nicht dem Reaktor (20) zugeführte Fraktion (a2) zum Brennstoffreservoir (12) zurückgeleitet wird.
Vorrichtung (10) zur Erzeugung von Wasserstoff an Bord eines mit einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeuges, umfassend einen aus einem Brennstoffreservoir (12) für die Brennkraftmaschine mit einem Kohlenstoff-Brennstoff (a1) versorgbaren Reaktor (20) zur Dehydrogenierung des dem Reaktor (20) zugeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes (a1), um den Wasserstoff zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ferner eine Fraktioniereinrichtung (16) zur Erzeugung mehrerer Fraktionen (a1, a2) eines aus dem Brennstoffreservoir (12) entnommenen Brennstoffes (A) umfasst, von denen eine Fraktion (a1) als der Kohlenwasserstoff-Brennstoff dem Reaktor (20) zugeführt wird.