DE102013224257A1

DE102013224257A1 - Verfahren und Vorrichtung zur thermochemischen Wasserstofferzeugung mit einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102013224257A1
Application number: DE102013224257.3A
Authority: DE
Inventors: Torsten Frank
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-05-28

Abstract

Zur thermochemischen Wasserstofferzeugung mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere eines Fahrzeugs, wird Wasserdampf unter Nutzung der Energie des Abgases des Verbrennungsmotors in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten und der erzeugte Wasserstoff in den Verbrennungsmotor zurückgeführt. Die Spaltung des Wasserdampfs wird mit mindestens zwei unterschiedlichen Reaktionen bei jeweils unterschiedlicher Temperatur durchgeführt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur thermochemischen Wasserstofferzeugung mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere dem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Gegenstand.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 41 40 650 A1 bekannt. Dabei wird Wasserdampf, der das Auspuffrohr durchströmt, mit einem Kühler verflüssigt, und das Wasser in eine Rohrwendel gespritzt, welche motornah um das Auspuffrohr angeordnet und innen mit einem Katalysator aus einem Metall der Platingruppe versehen ist, wodurch das eingespritzte Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden soll.
Das bekannte Verfahren ist jedoch nicht realisierbar. Zwar kann Wasser bei hohen Temperaturen katalytisch in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Es ist jedoch nicht möglich, aus einem solchen Gemisch Wasserstoff bei diesen hohen Temperaturen abzutrennen, auch wenn das Gemisch abgekühlt wird, weil sich dann das Gleichgewicht wieder in Richtung Wasser verschiebt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, auf realisierbare Weise unter Nutzung der Energie des Abgases des Verbrennungsmotors die Leistung und Effizienz eines Verbrennungsmotors durch Spaltung von Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff und Rückführung des Wasserstoffs und vorzugsweise auch des Sauerstoffs in den Verbrennungsmotor zu steigern.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren erreicht, bei dem der Wasserdampf in mindestens zwei unterschiedlichen Reaktionen bei jeweils unterschiedlicher Temperatur in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.
Ein solches Verfahren wird bei dem sogenannten Hydrosol-Projekt angewendet, bei dem Wasser durch Sonnenenergie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Dazu wird ein zweistufiger Kreisprozess mit zwei Reaktionen durchgeführt, wobei in der 1. Reaktion reduziertes Metalloxid (MOred) bei einer Temperatur von beispielsweise 500 bis 700°C mit Wasser unter Bildung von oxidiertem Metalloxid (MOox) und Wasserstoff nach folgender Gleichung reagiert:
1. Reaktion:

MOred + H₂O → MOox + H₂, und in einer 2. Reaktion bei einer höheren Temperatur von beispielsweise 800 bis 1000°C MOox nach folgender Gleichung wieder zu MOred unter Sauerstoffabspaltung reduziert und damit regeneriert wird:

2. Reaktion:

MOox → MOred + O₂.

Als Metalloxid kann zum Beispiel Eisen- oder Zinkoxid eingesetzt werden, insbesondere auch ein Mischoxid aus zwei oder mehreren Metallen, beispielsweise mit Zink dotiertes Eisenoxid.
Das reduzierte Metalloxid (MOred) kann ein Metall oder ein Metalloxid niedrigerer Oxydationsstufe sein.
Das heißt, erfindungsgemäß kann in einer der wenigstens zwei unterschiedlichen Reaktionen bei jeweils unterschiedlicher Temperatur durch Anlagerung des Sauerstoffs aus dem Wassermolekül an ein Metalloxid, ggf. auch ein Metall Wasserstoff freigesetzt und das oxidierte Metalloxid entsprechend der zweiten Reaktion unter Freisetzung von Sauerstoff regeneriert werden.
Damit kann die Wasserspaltung bei einer Temperatur unter 1000°C, vorzugsweise unter 900°C, durchgeführt werden, also bei einer in einem Verbrennungsmotor entstehenden Abgas-Temperatur.
Vorzugsweise weist der Verbrennungsmotor einen Katalysator zur Nachbehandlung der Motorabgase auf. Durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Katalysator werden im Bereich des Katalysators der Abgasanlage besonders hohe Temperaturen erzielt, und zwar auch schon bei geringer Last des Verbrennungsmotors sowohl am Katalysator-Monolith wie in der Abgasanlage nach dem Katalysator.
Die Spaltung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt daher vorzugsweise unter Nutzung der hohen Temperatur des Katalysators im Bereich des Katalysators oder stromabwärts desselben.
Der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wird vorzugsweise abwechselnd mindestens zwei Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung zugeführt, wobei die Zufuhr des Abgases jeweils zu dem Katalysator erfolgt, mit dem das Metalloxid oder Metall regeneriert wird.
Auch kann der Abgasstrom nur dem einen Katalysator des Verbrennungsmotors zugeführt werden, der in dem Abgasstrang zur Abgasnachbehandlung vorgesehen ist. Dabei wird die Temperatur des Katalysators zwischen der tiefen Temperatur für die Reaktion zur Freisetzung des Wasserstoffs und der hohen Temperatur für die Reaktion zur Regenerierung des Metalloxids niedrigerer Oxydationsstufe oder Metalls variiert.
Das heißt, es wird ein zweistufiger Prozess mit dem Katalysator zur Abgasnachbehandlung durchgeführt, beispielsweise dadurch, dass der Lastpunkt des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verschoben wird und/oder die Verbrennungsparameter geändert werden. So kann die Regenerierung des Metalloxids niedrigerer Oxydationsstufe oder Metalls bei Volllast erfolgen.
Da nur ein Katalysator in dem Abgasstrang erforderlich ist und zudem auf Umschaltorgane verzichtet werden kann, wird damit eine deutliche Vereinfachung des apparativen Aufwandes erreicht.
Der Wasserstoff und vorzugsweise auch der Sauerstoff, der durch Wasserspaltung erfindungsgemäß erzeugt wird, wird dem Verbrennungsmotor zugeführt, um die Leistung und Effizienz des Verbrennungsmotors zu verbessern und den CO₂-Ausstoß zu senken.
Wegen des hohen Gegendrucks, der bei direkter Zufuhr in den Motor auftritt, wird der Wasserstoff und ggf. auch der Sauerstoff vorzugsweise über die Ansaugluft dem Verbrennungsmotor zugeführt.
Um aus dem erfindungsgemäßen Verfahren den maximalen Nutzen zu ziehen, sollte nur die Verlustwärme im Abgas, welche im Verbrennungszyklus des Motors anfällt, für das Verfahren verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Temperatur des Abgaskatalysators zum Beispiel mit einer Akkumulatoreinheit zusätzlich elektrisch zu erhöhen.
Das Wasser für die Wasserspaltung kann als Kondensat aus dem Abgas gewonnen werden, was allerdings einen zusätzlichen Aufwand erfordert. Um dies zu vermeiden, wird als Wasser für die Wasserspaltung vorzugsweise das Kondenswasser der Klimaanlage des Fahrzeugs oder Regenwasser verwendet. Das Wasser kann auch getankt werden. Damit steht stets Wasser zur Verfügung, welches in Betriebspunkten hoher Last und entsprechend hoher Abgastemperaturen erfindungsgemäß in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden kann.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist vorzugsweise wenigstens eine Reaktionskammer für die mindestens zwei unterschiedlichen Reaktionen bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen zur Spaltung des Wasserdampfes auf. Dabei ist vorzugsweise jeweils eine Reaktionskammer für die mindestens zwei unterschiedlichen Reaktionen bei den mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen vorgesehen.
Vorzugsweise wird die bzw. jede Reaktionskammer durch einen Wärmetauscher gebildet, der an dem Katalysator oder stromabwärts des Katalysators im Abgasstrang angeordnet ist. Die bzw. jede Reaktionskammer kann dabei auch innerhalb des Katalysators angeordnet sein.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert, deren einzige Figur schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Danach strömt das Abgas des (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors von dem Abgaskrümmer 1 über die Leitung 2 zu einem Umschaltventil 3 oder dergleichen Umschaltorgan, mit dem es abwechselnd über die Leitung 4a bzw. 4b einem von zwei Abgaskatalysatoren zugeführt werden kann, die jeweils mit einem Wärmetauscher 5a bzw. 5b versehen sind, die die Reaktionskammern für die beiden Reaktionen zur Wasserspaltung bilden. Über die Leitung 6a bzw. 6b wird das aus den Katalysatoren austretende gereinigte Abgas den sich stromabwärts der Katalysatoren nicht näher dargestellten Bestandteilen 7 in dem Abgasstrang zugeführt, wie Schalldämpfer und Endrohr.
Jeder Wärmetauscher 5a, 5b enthält ein Metalloxid, welches in der Lage ist, bei einer Temperatur von z. B. 500 bis 700°C aus dem aus dem zugeführten Wasser gebildeten Wasserdampf in der 1. Reaktion durch Oxidation des Metalloxids zu einer höheren Oxidationsstufe Wasserstoff zu bilden und in der 2. Reaktion bei einer höheren Temperatur von z. B. 800 bis 1000°C das in eine höhere Oxidationsstufe oxidierte Metalloxid unter Abspaltung von Sauerstoff und damit Reduktion zu regenerieren.
Der in den Wärmetauschern 5a, 5b auf diese Weise gebildete Wasserstoff wird über die Leitungen 10a, 10b, die mit Absperrventilen oder -organen 11a, 11b versehen sind, und der Sauerstoff über die mit den Absperrventilen oder -organen 13a, 13b versehenen Leitungen 12a, 12b dem nicht dargestellten Verbrennungsmotor stromabwärts des Krümmers 1 zugeführt.
Wenn dem Wärmetauscher 5a oder 5b das heiße Abgas mit dem Umschaltorgan 3 über die Leitung 2 und 4a oder 4b zugeführt und über die Leitung 8a oder 8b bei geschlossenem Absperrorgan 9a bzw. 9b kein Wasser in den Wärmetauscher 5a oder 5b gelangt, wobei das darin enthaltene Metalloxid in der höher oxidierten Form vorliegt, wird von dem durch den vom Abgas durchströmten Katalysator aufgeheizten Metalloxid bei der hohen Temperatur von beispielsweise 800 bis 1000°C Sauerstoff abgespalten, welches über die Leitung 12a bzw. 12b bei geöffnetem Absperrorgan 13a bzw. 13b dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, während die Leitung 10a bzw. 10b durch das Absperrorgan 11a, 11b geschlossen ist, so dass die vorstehend beschriebene 2. Reaktion durchgeführt wird.
Gleichzeitig wird den Wärmetauschern 5b bzw. 5a, welche eine niedrige Temperatur von z. B. 500 bis 700°C aufweisen, weil ihnen über das Umschaltorgan 3 kein Abgas über die Leitung 4b bzw. 4a zugeführt wird, über die Leitung 8b bzw. 8a durch Öffnen der Absperrorgane 9b bzw. 9a Wasser zugeführt wird, welches durch das reduzierte Metalloxid in dem Wärmetauscher 5b bzw. 5a unter Oxidation des Metalloxids durch den Sauerstoff des Wassers Wasserstoff bildet, welcher über die Leitung 10b bzw. 10a bei geöffnetem Absperrorgan 11b bzw. 11a dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, während die Absperrorgane 13b und 13a in den Leitungen 12b und 12a geschlossen sind, so dass die vorstehend beschriebene 1. Reaktion durchgeführt wird.
Anschließend wird durch entsprechendes Umschalten des Umschaltorgans 3 und der Absperrorgane 9a, 9b; 11a, 11b und 13a, 13b wieder die 2. Reaktion durchgeführt, und so weiter.
Zudem ist es möglich, das Verfahren zu unterbrechen, indem die Absperrorgane 9a, 9b; 11a, 11b und 13a, 13b geschlossen werden.
Damit besteht die Möglichkeit, das Verfahren entsprechend den Temperaturbedingungen flexibel fortzusetzen, beispielsweise wenn die Last ansteigt, z. B. dadurch, dass das Fahrzeug aus der Ebene auf einen Berg fährt. Die erhöhte Last führt zu höheren Abgastemperaturen, so dass die 2. Reaktion, also die Regeneration des Metalloxids unter Freisetzung von Sauerstoff durchgeführt werden kann.
Sobald die 2. Reaktion abgeschlossen ist, kann das Verfahren durch Schließen der entsprechenden Absperrorgane unterbrochen werden, bis die Abgastemperatur zum Beispiel durch Bergabfahrt sinkt und damit die 1. Reaktion, also die Wasserstoff-Freisetzung durchgeführt werden kann. Je nachdem, wie schnell die Abgastemperatur variiert, kann noch vor dem Ende der jeweiligen Reaktion auf die andere Reaktion umgeschaltet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4140650 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur thermochemischen Wasserstofferzeugung mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere eines Fahrzeugs, wobei Wasserdampf unter Nutzung der Energie des Abgases des Verbrennungsmotors in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten und der erzeugte Wasserstoff in den Verbrennungsmotor zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltung des Wasserdampfs in mindestens zwei unterschiedlichen Reaktionen bei jeweils unterschiedlicher Temperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der wenigstens zwei Reaktionen aus dem Wasserdampf durch Anlagerung des Sauerstoffs des Wassers an ein Metall oder Metalloxid Wasserstoff freigesetzt wird und in der wenigstens zweiten Reaktion das Metalloxid unter Freisetzung von Sauerstoff regeneriert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion, bei der Wasserstoff freigesetzt wird, bei einer tieferen Temperatur durchgeführt wird, als die Reaktion, bei der das Metalloxid oder Metall regeneriert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit einem Katalysator zur Nachbehandlung des Motorabgases versehen ist und zumindest die Reaktion, bei der das Metall oder Metalloxid regeneriert wird, mit der von dem Katalysator abgegebenen Wärmeenergie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors abwechselnd mindestens zwei Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung zugeführt wird, wobei die Zufuhr des Abgases jeweils zu dem Katalysator erfolgt, mit dem das Metalloxid oder Metall regeneriert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors dem Katalysator zur Abgasnachbehandlung zugeführt wird, wobei die Temperatur des Katalysators zwischen der tieferen Temperatur für die Reaktion zur Freisetzung von Wasserstoff und der höheren Temperatur für die Reaktion zur Regenerierung des Metalloxids oder Metalls variiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Wasserstoff und gegebenenfalls der erzeugte Sauerstoff der Ansaugluft des Verbrennungsmotors zugemischt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser zur Bildung des Wasserdampfs durch das Kondenswasser der Klimaanlage des Fahrzeugs und/oder durch Regenwasser gebildet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch jeweils eine Reaktionskammer für die mindestens zwei unterschiedlichen Reaktionen bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen zur Spaltung des Wasserdampfs.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reaktionskammer mit einem Katalysator zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors auf die Temperatur zur Regenerierung des Metalloxids unter Freisetzung von Sauerstoff aufheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reaktionskammer durch einen Wärmetauscher (5a, 5b) gebildet wird, der an dem Katalysator oder stromabwärts des Katalysators im Abgasstrang angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Leitungen (4a, 4b) mit jeweils einem Katalysator zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors, einem Umschaltorgan (3) zwischen dem Verbrennungsmotor und den wenigstens zwei Leitungen (4a, 4b) zur Zufuhr des Abgases zu dem Katalysator in der wenigstens einen oder anderen Leitung (4a, 4b), und einen an jedem Katalysator oder stromabwärts jedes Katalysators angeordneten Wärmetauscher (5a, 5b) als Reaktionskammer zur Erwärmung des Wasserdampfs auf die mindestens zwei Temperaturen zur Wasserspaltung, wobei an jedem Wärmetauscher (5a, 5b) eine Leitung (8a, 8b) zur Zufuhr von Wasser und eine Leitung (10a, 10b) zur Rückführung des in der jeweiligen Reaktionskammer erzeugten Wasserstoffs zu dem Verbrennungsmotor angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an jeden Wärmetauscher (5a, 5b) eine Leitung (12a, 12b) zur Rückführung des in der jeweiligen Reaktionskammer erzeugten Sauerstoffs zu dem Verbrennungsmotor angeschlossen ist.