DE102017001567A1 - Verdampfer und Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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David Tiemann
Jochen Schürer
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Diehl Aerospace GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer (V), umfassend einen Verdampferkörper (3), der von einem Verdampfergehäuse (5) umgeben ist, das einen Eingang (1) zum Zuführen einer Flüssigkeit in das Verdampfergehäuse (5) und einen Ausgang (6) zum Ausgeben von erzeugtem Dampfs aufweist,wobei der Verdampferkörper (3) eine Vielzahl von Platten (7) umfasst, welche flächig übereinander angeordnet sind,wobei zwischen dem Eingang (1) und dem Verdampferkörper (3) ein Flüssigkeitsverteiler (2) zum Verteilen der Flüssigkeit auf die Vielzahl von Platten (7) angeordnet ist,wobei jede der Platten (7) auf einer ersten Oberfläche eine Flüssigkeitsverteilerstruktur (10) mit Verteilerleitungen (20, 21, 22), eine Verdampferfläche (11) und eine Gassammelstruktur (12) umfasst.Daneben betrifft die Erfindung eine zugehörige Brennstoffzellenanordnung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdampfer und eine Brennstoffzellenanordnung mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer.
  • Ein Verdampfer ist beispielsweise aus der WO 2006/108796 A1 bekannt. Der bekannte Verdampfer weist zumindest eine Verdampferplatte mit in einem trapezförmigen Bereich angeordneten Verdampferkanälen auf. Die Verdampferkanäle sind sogenannte Mikroverdampferkanäle mit einem Querschnitt unter 100 µm2. Der herkömmliche Verdampfer eignet sich jedoch nicht für große Verdampfungsleistungen, da es hierbei zu einer unstetigen Dampferzeugung kommt. Insbesondere ein geringer Flüssigkeitsmassefluss führt dazu, dass sich sogenannte „Dampfblasen“ bilden und eine effektive Verdampfung verhindern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verdampfer für einen Leistungsbereich im Kilowattbereich angegeben werden. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenanordnung mit einem derartigen Verdampfer anzugeben.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 14 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 13 sowie 15.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verdampfer vorgeschlagen, umfassend einen Verdampferkörper, der von einem Verdampfergehäuse umgeben ist, das einen Eingang zum Zuführen einer Flüssigkeit in das Verdampfergehäuse und einen Ausgang zum Ausgeben von erzeugtem Dampf aufweist.
  • Der Verdampferkörper umfasst eine Vielzahl von Platten, welche flächig übereinander angeordnet sind. Zwischen dem Eingang und dem Verdampferkörper ist ein Flüssigkeitsverteiler zum Verteilen der Flüssigkeit auf die Vielzahl von Platten angeordnet. Jede der Platten umfasst auf einer ersten Oberfläche eine Flüssigkeitsverteilerstruktur mit Verteilerleitungen, eine Verdampferfläche und eine Gassammelstruktur. Die Flüssigkeitsverteilerstruktur, Verdampferfläche und Gassammeistruktur werden durch die jeweils benachbarte Platte begrenzt, so dass dadurch gebildete Hohlräume ausschließlich über den Flüssigkeitsverteiler und stromabwärts der Gassammelstruktur miteinander fluidverbinden sind.
  • Der erfindungsgemäße Verdampfer weist den Vorteil auf, dass die Bildung von Dampfblasen vermieden werden kann. Der Verdampfer kann zur Erzeugung von Sattdampf oder überhitztem Dampf verwendet werden. Die zu verdampfende Flüssigkeit wird sehr gleichmäßig auf die einzelnen Platten verteilt und der Dampf kann ungehindert abströmen. Die Verdampferfläche kann im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet sein. Durch die Flüssigkeitsverteilerstruktur kann eine zu verdampfende Flüssigkeit im Wesentlichen gleichmäßig auf die Verdampferfläche strömen. Auf einer dem Flüssigkeitsverteiler gegenüberliegenden Seite der Verdampferfläche ist die Gassammelstruktur angeordnet, welche mit dem Ausgang des Verdampfergehäuses verbunden ist. Der erzeugte Dampf wird von der Verdampferfläche durch die Gassammelstruktur zum Ausgang des Verdampfergehäuses geleitet.
  • Durch die Verteilung der Flüssigkeit auf eine Vielzahl von Platten kann mittels des Flüssigkeitsverteilers ebenfalls eine gleichmäßige Verdampfung erzielt werden.
  • Zweckmäßigerweise ist die Flüssigkeitsverteilerstruktur einstückig mit der Platte ausgebildet. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die Flüssigkeitsverteilerstruktur eine Verteilerzuleitung, die sich in zumindest zwei erste Verteilerleitungen verzweigt. Mit der Aufteilung in zumindest zwei erste Verteilerleitungen wird eine bessere Verteilung der Flüssigkeit auf die Verdampferfläche erreicht. Die Flüssigkeitsverteilerstruktur kann insbesondere weitere Verteilerleitungen umfassen, so dass eine sich baumartig verzweigende Struktur vorliegt.
  • Zweckmäßigerweise mündet die Flüssigkeitsverteilerstruktur in die Verdampferfläche.
  • Die Verdampferfläche des erfindungsgemäßen Verdampfers ist zweckmäßigerweise als Vertiefung und/oder Erhebung in der Platte ausgebildet. Eine als Vertiefung ausgebildete Verdampferplatte weist einen die Verdampferfläche umgebenden Rahmen auf. Die Verdampferfläche kann insbesondere eine im Wesentlichen rechteckige Aussparung sein. Vorzugsweise umfasst die Verdampferfläche einen strukturierten Bereich mit einem erhabenen und/oder vertieften Muster. Das Muster stößt in den erhabenen Bereichen an die direkt darüber angeordnete Platte, so dass die erhabenen Bereiche mit der darüberliegenden Platte dichten. Der strukturierte Bereich kann auch nur einen Teil der Verdampferfläche umfassen. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die Verdampferfläche drei aufeinanderfolgende Bereiche, welche in einer von der Flüssigkeitsverteilerstruktur zur Gassammelstruktur verlaufenden ersten Richtung hintereinander angeordnete, aneinander angrenzende Bereiche sind. Der an die Flüssigkeitsverteilerstruktur angrenzende Bereich weist vorzugsweise keine mit einem Muster strukturierte Oberfläche auf. Darauf folgt der strukturierte Bereich mit einem Muster. Das Muster kann beispielsweise ein Fischgrätmuster, ein Wellenmuster oder ein Zick-Zack-Muster sein. Zur Gassammelstruktur hin kann sich wieder ein ohne Muster ausgebildeter Bereich erstrecken. Der Bereich mit Muster erstreckt sich in einer senkrecht zur ersten Richtung angeordneten zweiten Richtung vorzugsweise vollflächig.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdampfers ist das Muster ein Fischgrätmuster. Ein solches Fischgrätmuster hat den Vorteil, dass die Strukturierung der Verdampferoberfläche komplett offen ist und sich so keine Gasblasen festsetzen können, die einen Flüssigkeitsmassedurchfluss verhindern.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Verdampferfläche in einer Richtung ausgehend von der Flüssigkeitsverteilerstruktur verlaufende Rillen oder Kanäle mit Umlenkstellen. Die Kanäle verlaufen vorzugsweise wellenförmig. Damit kann eine erhöhte Effizienz des Verdampfers erreicht werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Gassammelstruktur zumindest zwei Gassammelleitungen, welche zusammengeführt werden, und/oder einen gebogenen Ausgangskanal. Die Gassammelstruktur des erfindungsgemäßen Verdampfers begünstigt ein ungehindertes Abströmen des entstandenen Dampfs.
  • Zweckmäßigerweise umfassen zumindest einige der Platten auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Fläche Heizkanäle oder die Platten sind flach ausgebildet.
  • Durch Heizkanäle auf der Rückseite der Platte kann ein Wärmemedium entlang der Platte zum Verdampfen der Flüssigkeit geführt werden. Diese Heizkanäle sind dann durch einen im Verdampfergehäuse vorgesehenen weiteren Eingang und einen weiteren Ausgang fluidverbunden.
  • Zweckmäßigerweise sind zwei benachbarte Platten bündig übereinander gestapelt. Insbesondere können die Ränder der Flüssigkeitsverteilerstruktur, der Verdampferfläche und der Gassammelstruktur mit den benachbart angeordneten Platten eine Dichtung bilden, so dass zwischen je zwei Platten liegende Hohlräume voneinander getrennt sind.
  • Weiterhin wird eine Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen Verdampfer, einen Reformer, einen PrOx-Reaktor und eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst insbesondere eine Reihenschaltung des Verdampfers, eines Reformers, eines Water-Gas-Shift-Reaktors, eines PrOx-Reaktors und einer Brennstoffzelle. Reformer, Water-Gas-Shift-Reaktor und PrOx-Reaktor sind Reaktoren, in denen der im Verdampfer verdampfte Brennstoff in drei aufeinanderfolgenden Reaktionen ggf. unter Zugabe von Luft zu einem weiteren Brennstoff mit einem geringen Kohlenmonoxid-Gehalt umgesetzt wird, welcher für die Brennstoffzelle nutzbar gemacht wird. Zweckmäßigerweise ist die Brennstoffzellenanordnung für den Betrieb mit Propylenglykol ausgelegt. Damit wird im Verdampfer ein Propylenglykol-Wasser-Gemisch verdampft.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Verdampfers im Querschnitt,
    • 2 eine erste Ausgestaltung einer Verdampferplatte eines erfindungsgemäßen Verdampfers,
    • 3 einen Querschnitt durch die Verdampferplatte gemäß 2 entlang der Linie III-III',
    • 4 einen Querschnitt durch die Verdampferplatte gemäß 2 entlang der Linie IV-IV',
    • 5 einen Querschnitt durch die Verdampferplatte gemäß 2 entlang der Linie V-V',
    • 6 eine zweite Ausgestaltung einer Verdampferplatte,
    • 7 eine Ausschnittsvergrößerung der Verdampferplatte gemäß 6,
    • 8 einen Querschnitt durch die Verdampferplatte gemäß 7, und
    • 9 eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung.
  • 1 zeigt einen Verdampfer V mit einem Eingang 1, einem Verdampfergehäuse 5 und einem Ausgang 6. Zwischen dem Eingang 1 und einem Verdampferkörper 3 ist ein Flüssigkeitsverteiler 2 geschaltet, mit dem eine Flüssigkeit auf Platten 7 verteilt wird. Der Flüssigkeitsverteiler 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Hohlraum 8 ausgebildet. Der Flüssigkeitsverteiler 2 kann aber gemäß einer alternativen Ausgestaltung auch eine baumartige Flüssigkeitsverteilerstruktur umfassen. Die Platten 7 sind flächig übereinander angeordnet, so dass in 1 der Stapel der Platten 7 ersichtlich ist.
  • 2 zeigt eine Ausgestaltung einer Platte 7. Die Platte 7 umfasst eine Flüssigkeitsverteilerstruktur 10. Die Flüssigkeitsverteilerstruktur 10 weist eine Verteilerzuleitung 20 auf, welche sich in erste Verteilerleitungen 21, insbesondere zwei erste Verteilerleitungen 21, aufteilt. Die erste Verteilerleitung 21 kann sich im Weiteren in zweite Verteilerleitungen 22 und nachfolgend in dritte Verteilerleitungen 23 aufteilen. Die ersten 21, zweiten 22 und dritten Verteilerleitungen 23 bilden eine baumartige Struktur, so dass der Querschnitt z. B. einer ersten Verteilerleitung 21 gleich der Summe der davon abgehenden zweiten Verteilerleitungen 22 ist. Durch eine solche Flüssigkeitsverteilerstruktur 10 wird die Flüssigkeit mit gleichmäßigem Druck und gleichmäßiger Geschwindigkeit auf eine Verdampferfläche 11 gegeben.
  • Die Verdampferfläche 11 ist eine im Wesentlichen rechteckige Fläche. In einem mittleren Bereich in einer Richtung von der Flüssigkeitsverteilerstruktur 10 zur Gassammelstruktur 12 ist auf der Verdampferfläche 11 ein Muster 13 ausgebildet. Die Verdampferfläche 11 ist als Vertiefung der Platte 7 ausgebildet. Das Muster 13 ist eine erhabene Struktur, z. B. ein Fischgrätmuster. Das Fischgrätmuster verhindert, dass die Flüssigkeit ohne Umlenkung von der Flüssigkeitsverteilerstruktur 10 zur Gassammelstruktur 12 fließt. Das Muster 13 bildet eine offene Struktur, so dass ein Verstopfen von einzelnen Kanälen auf der Verdampferfläche 11 effizient verhindert wird.
  • Die Gassammelstruktur 12 umfasst zwei Gassammelleitungen 30. In den Gassammelleitungen 30 sind weitere Strukturelemente vorhanden, die als Stützen 32 ausgebildet sind. Die Gassammelleitungen 30 sammeln das Gas und münden in einen Ausgangskanal 31.
  • Der Ausgangskanal 31 weist zweckmäßigerweise eine Umlenkung auf, so dass das erzeugte Gas, der Dampf, an einer Seite der Platte 7 ausgegeben wird.
  • 3 zeigt einen Querschnitt der Platte 7 gemäß 2 entlang der Schnittlinie III-III'. Die geschnittene Ansicht schneidet vier zweite Verteilerleitungen 22. Die zweiten Verteilerleitungen 22 weisen jeweils die gleiche Tiefe und jeweils die gleiche Breite auf.
  • 4 zeigt einen Querschnitt der Platte 7 gemäß 2 entlang der Schnittlinie IV-IV'. Daraus ist die vertiefte Verdampferfläche 11 mit dem darüber hervorstehenden Muster 13 ersichtlich. Die durch das Muster 13 erzeugten Rillen weisen alle dieselbe Tiefe auf. Die Erhebungen des Musters 13 befinden sich auf derselben Ebene wie der nichtstrukturierte Rand der Platte 7. Somit können zwei aufeinanderliegende Platten 7, insbesondere zum Rand hin, abgedichtet und gleichzeitig durch die Erhebungen des Musters 13 aufeinander abgestützt werden.
  • 5 zeigt einen Querschnitt durch die Gassammelstruktur 12. Die in der Gassammelleitung 30 angeordnete Stütze 32 und ein Rand der Platte 7 weisen dieselbe Höhe auf.
  • 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Platte 7. Abweichend von der ersten Ausführung gemäß 2 weist die Platte 7 ein Muster 13 in Form von wellenförmigen Kanälen 14 auf. Eine Dimension der Kanäle 14 liegt im Bereich von ca. 1 mm Weite mit einer geringeren Tiefe. Die wellenförmigen Kanäle 14 erstrecken sich nur in einem mittleren Bereich der Verdampferfläche 11.
  • Ein Ausschnitt solcher Kanäle 14 ist in Aufsicht in 7 und im Querschnitt in 8 dargestellt. Die Kanäle 14 weisen die gleiche Tiefe auf.
  • 9 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung. Die Brennstoffzellenanordnung ist eine Reihenschaltung eines Verdampfers V, gefolgt von einem Reformer R, einem Water-Gas-Shift-Reaktor W, einem PrOx-Reaktor P und einer Brennstoffzelle B. Der Verdampfer V ist ein Verdampfer gemäß den vorangegangenen Ausführungsbeispielen. Durch die Reihenschaltung der Reaktoren wird der im Verdampfer V verdampfte Brennstoff, insbesondere ein Propylenglykol-Wasser-Gemisch, so aufbereitet, dass er in der Brennstoffzelle B zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden kann. Die Brennstoffzelle B besitzt in diesem Ausführungsbeispiel eine Leistung von 5 kW.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Eingang
    2
    Flüssigkeitsverteiler
    3
    Verdampferkörper
    5
    Verdampfergehäuse
    6
    Ausgang
    7
    Platte
    8
    Hohlraum
    10
    Flüssigkeitsverteilerstruktur
    11
    Verdampferfläche
    12
    Gassammelstruktur
    13
    Muster
    14
    Kanal
    20
    Verteilerzuleitung
    21
    erste Verteilerleitung
    22
    zweite Verteilerleitung
    23
    dritte Verteilerleitung
    30
    Gassammelleitung
    31
    Ausgangskanal
    32
    Stütze
    B
    Brennstoffzelle
    P
    PrOx-Reaktor
    R
    Reformer
    V
    Verdampfer
    W
    Water-Gas-Shift-Reaktor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2006/108796 A1 [0002]

Claims (15)

  1. Verdampfer (V), umfassend einen Verdampferkörper (3), der von einem Verdampfergehäuse (5) umgeben ist, das einen Eingang (1) zum Zuführen einer Flüssigkeit in das Verdampfergehäuse (5) und einen Ausgang (6) zum Ausgeben von erzeugtem Dampfs aufweist, wobei der Verdampferkörper (3) eine Vielzahl von Platten (7) umfasst, welche flächig übereinander angeordnet sind, wobei zwischen dem Eingang (1) und dem Verdampferkörper (3) ein Flüssigkeitsverteiler (2) zum Verteilen der Flüssigkeit auf die Vielzahl von Platten (7) angeordnet ist, wobei jede der Platten (7) auf einer ersten Oberfläche eine Flüssigkeitsverteilerstruktur (10) mit Verteilerleitungen (20, 21, 22), eine Verdampferfläche (11) und eine Gassammelstruktur (12) umfasst.
  2. Verdampfer (V) nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeitsverteilerstruktur (10) einstückig mit der Platte (7) ausgebildet ist.
  3. Verdampfer (V) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Flüssigkeitsverteilerstruktur (10) eine Verteilerzuleitung (20) umfasst, die sich in zumindest zwei erste Verteilerleitungen (21) verzweigt.
  4. Verdampfer (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeitsverteilerstruktur (10) in die Verdampferfläche (11) mündet.
  5. Verdampfer (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdampferfläche (11) als Vertiefung oder Erhebung in der Platte (7) ausgebildet ist.
  6. Verdampfer (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdampferfläche (11) einen strukturierten Bereich mit einem erhabenen und/oder vertieften Muster (13) umfasst.
  7. Verdampfer (V) nach Anspruch 6, wobei das Muster (13) ein Fischgrätmuster ist.
  8. Verdampfer (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdampferfläche (11) in einer von der Flüssigkeitsverteilerstruktur (10) weg weisenden Richtung verlaufende Rillen oder Kanäle (14) mit Umlenkstellen umfasst.
  9. Verdampfer (V) nach Anspruch 8, wobei die Kanäle (14) wellenförmig verlaufen.
  10. Verdampfer (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gassammelstruktur (12) zumindest zwei Gassammelleitungen (30), welche zusammengeführt werden, und/oder einen gebogenen Ausgangskanal (31) umfasst.
  11. Verdampfer (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Platten (7) auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Fläche eben ausgebildet sind oder Heizkanäle aufweisen.
  12. Verdampfer (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei benachbarte Platten (7) bündig übereinandergestapelt sind.
  13. Verdampfer (V) nach Anspruch 12, wobei Ränder der Flüssigkeitsverteilerstruktur (10), der Verdampferfläche (11) und der Gassammelstruktur (12) mit einer benachbart dazu angeordneten Platte (7) eine Dichtung bilden.
  14. Brennstoffzellenanordnung, umfassend zumindest einen Verdampfer (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, einen Reformer (R), einen PrOx-Reaktor (P) und eine Brennstoffzelle (B).
  15. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 14, die für den Betrieb mit Propylenglykol ausgelegt ist.
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